Prve človeške inducirane pluripotentne celice

Uvod

Ob številnih možnostih, ki jih ponujajo embrionalne matične celice (ES), se pojavlja nekaj ključnih problemov. Pridobivanje ES celic je etično sporno, saj se v procesu izolacije notranje celične mase iz blastule uniči zarodek. V primeru uporabe tujih ES celic, kot vira celic za uporabo v regenerativni medicini, bi bile te celice izpostavljene tudi imunski zavrnitvi vsadka (Yamanaka, 2009). Za rešitev tega problema ocenjujejo in preizkušajo dve možni rešitvi. Prva je etično sporna, terapevtsko kloniranje, druga novejša metoda, s katero se je mogoče izogniti uničevanju zarodkov in veliko obljublja, pa so inducirane pluripotentne matične celice (iPSC).

Inducirane pluripotente matične celice sta odkrila Takahashi in Yamanaka leta 2006. Odkritje je pomenilo pomembno prelomnico pri pridobivanju potencialno uporabnih pluripotentnih celic brez uničevanja zarodkov. Prav tako je bilo odmevno na področju jedrnega reprogramiranja, saj so dokazali, da je možno z retroviralnim vnosom in ektopičnim izražanjem štirih dejavnikov- Oct3/4, Sox2, Klf4 in c-Myc, diferencirane mišje fibroblaste vrniti v pluripotentno stanje.

Enaki štirje faktorji pa so sodelovali pri nastanku IPS celic iz odraslih človeških fibroblastov. hiPS celice so bile podobne hES celicam v morfologiji, proliferaciji, izražanju genov in telomerazni aktivnosti. Sama uporaba ES celic se sooča z etičnimi problemi, ki zavirajo njihovo uporabo. Poleg tega pa je težko ustvariti specifične ES celice za človeka ali bolezen, a prav njihova specifičnost je pogoj za učinkovito izrabo.

Pregled postopka za pripravo hIPS celic

Za nastanek iPS celic iz odraslih človeških somatskih celic, je bilo potrebno opimizirati retrovirusno transdukcijo v človeških fibroblastih in prilagoditi pogoje gojenja. Optimizacija pogojev je omogočila nastanek iPS celic iz odraslih človeških fibroblastov (HDF) in ostalih somatskih celic. Prvo so vstavili GFP v odrasel HDF, s pomočjo amfotropičnega retrovirusa, ki je bil vzgojen v PLAT-A (Platinum Retroviral Packing Cells). Za kontrolo so vstavili GFP v mišje embrionalne fibroblaste (MEF) z ekotropičnim retrovirusom, vzgojenim v PLAT-E. V MEF je kar 80% celic izrazilo GFP, v HDF pa manj kot 20%. Da bi izboljšali učinkovitost transdukcije so v HDF vstavili mišji receptor za retroviruse, Slc7a1, z lentivirusom. Nato so vstavili retrovirus, kateri je vseboval človeške Oct3/4, Sox2, Klf4, c-Myc, v HDF-Slc7a1.

Mehanizem po katerem štirje faktorji (Sox2, Oct3/4, c-Myc in Klf4) povzročijo pluripotentnost v somatskih celicah, še ni znan. Znana pa je funkcija Oct3/4 in Sox2, kot ključnih transkripcijskih faktorjev, vendar pa ne moreta vezati svoje tarčne gene v diferencirane celice zaradi drugih inhibitornih mehanizmov, vključno metilacije DNA in histonskih modifikacij. C-Myc in Klf4 naj bi spremenila strukturo kromatina, tako da bi se Sox2 in Oct3/4 lahko vezala na svoje tarče. Ugotovili so, da predvsem Klf4 interagira z p3000 histonsko acetiltransferazo in s tem regulira izražanje genov z moduliranjem acetilacije histonov.

Šest dni po transdukciji so bile celice obdelane s tripsinizacijo in prenesene na mitomicin C. Naslednji dan so medij, kateri je vseboval 10% FBS, zamenjali z medijem za primarne ES celice, kateremu so dodali 4ng/ml osnovnega rastnega faktorja (bFGF). Štirinajst dni pozneje so se pojavile zrnate kolonije, katere pa morfološko niso bile podobne hES celicam. Okoli 25. dneva pa so opazili različne kolonije, ki so bile ravne in podobne hES celičnim kolonijam. V šestih neodvisnih eksperimentih so iz 5 krat 10^4 fibroblastov opazili 10 hES celičnih kolonij in 100 zrnatih kolonij. Po tridesetih dneh od začetka eksperimenta so vzeli hES celične kolonije in jih mehansko razčlenili na manjše enote, brez encimske razgradnje. Občasno so opazili nekatere hES celične kolonije med zrnatimi celicami, a jih je bilo težko izolirati, zaradi visoke gostote zrnatih celic. Nato so hES celice razširili na SNL hranilno gojišče s primarnim medijem ES celic, kateri je vseboval bFGF. Oblikovale so se ravne in tesno pakirane kolonije. Vsaka preiskovana celica je bila po morfologiji podobna hES celicam, torej je vsebovala veliko jedro in bolj skopo citoplazmo. Kot pri hES, so tudi tukaj opazili občasno spontano diferenciacijo v centru kolonije.

Ker je eksperiment potrdil podobnost med ES celicami v morfologiji in drugih opisanih vidikih, so izbrane celice poimenovali, po transdukciji HDF, kot prve človeške inducirane pluripotentne celice.

Drugi izvori hiPS celic

Kasnejše raziskave pa so pokazale, da iPS celice ne izhajajo samo iz fibroblastov, ampak jih lahko pridobijo tudi iz drugih somatskih celic.

V letu 2010, so Liu et al. poročali o prvih človeških endodermalnih IPS celicah pridobljenih iz primarnih hepatocitov (hHiPS). V nasprotju iPS celic iz fibroblastov, so se iPS celice pridobljene iz hepatocitov pojavile na koloniji že 6-9 dni po transfekciji, kar pomeni, da je reprogramiranje hitrejše. Drugi vir iPS celic, ki jih je mogoče enostavno reprogramirati, so človeški keratinociti. Izkazalo se je, da so 100-krat bolj učinkoviti in 2-krat hitrejši kot iPS celice iz človeških fibroblastov. Keratinocite je mogoče dobiti tako iz kože, kot tudi iz las, zaradi česar so najbolj praktičen vir celic za proizvodnjo bolnikovih specifičnih iPS celic. Prav tako so celice iz krvi zelo dostopne za hitro proizvodnjo iPS celic. Vse te iPS celice so nastale iz zdravih darovalcev, obstaja pa tudi poročilo Carette et al. iz leta 2010, ki kaže, da lahko s standardnimi metodami reprogramiramo iPS celice iz človeških rakavih celic, ki nosijo onkogeno mutacijo. Te iPS celice izražajo pluripotentne markerje na podobnih ravneh kot ES celice, izražajo onkogene in imajo zaradi kromosomske nestabilnosti nenormalen kariotip.

Vse omenjene celične linije so bile ustvarjene z istimi štirimi dejavniki, ki so jih uporabili Takahashi et al. (2007), vendar je možno, da povzročijo pluripotenco na somatskih celicah le nekateri izmed njih. Ugotovljeno je bilo, da je matične celice, ki izražajo endogeno Sox2, c-Myc in Klf4, mogoče reprogramirati z uporabo le enega od dejavnikov. Ta sistem zagotavlja prednost preprečevanja transfekciji onkogenih c-Myc in Klf4, ki ju lahko pripisujemo k tumorigenezi. Narejen je bil poskus pridobivanja iPS iz keratinocitov, kjer je bil odsoten c-Myc. Na gojišču so nastale iPS celice, vendar je bilo število kolonij precej manjše, medtem ko v odsotnosti Klf4, kolonij ni bilo opaziti.

Te študije podpirajo idejo, da reprogramiranje ni odvisno samo od štirih dejavnikov, ampak tudi od izvora celice.

Diferenciacija človeških iPS celic

Človeške inducirane pluripotetentne celice se diferencirajo v različne tipe celic -nevrone, hepatocite, pankreatične beta celice in tudi kardiomiocite, kar kaže na to, da imajo lahko iPS celice znatno napredovanje pri srčno regenerativnih zdravljenjih.

Vendar pa te celice delujejo tumorogeno. Če želimo to preprečiti, pridobimo celice in vitro in jih nato vbrizgamo v srce. V tem primeru ni nastanka tumorja, vendar so potrebne še dolgoročne študije za potrditev le-tega. IPS celice so pokazale tudi sposobnost diferenciacije v endotelijske celice in celice gladkih mišic, ki prispevajo k srčnemu popravljanju z oblikovanjem novih krvnih žil.

IPS celice, ki izkoriščajo aktivin A in kostne morfogenetske proteine BMP4 so inkubirali na ploščah fetalnega govejega seruma in po 20 dneh inkubacije se je z analizo RT-PCR dokazalo, da te celice izražajo kardiomiocitne markerje, kot so TnTC, Mef2C. Nasprotno pa se je izražanje UPB3/4, Sox2 in Nanog izrazito zmanjšalo. Kardiomiociti se diferencirajo tudi brez govejega seruma ali pa v kulturi z END-2.

Osnove za nadaljnje študije

Čeprav je moč pridobiti pluripotente celice brez uničenja zarodkov in je vsaj teoretično enostavno dobiti pluripotente celice z genomom pacienta, je do klinične uporabe IPS celic še dolga pot. Prvi velik problem je uporaba retrovirusnih vektorjev, ki povročijo naključno vgradnjo konstruktov DNA, ki nosijo zapis za dejavnike, v genom in s tem povzročijo trajno spremembo dednega zapisa celic. Posledica takšne trajne in naključne vgradnje v genom je potencialno rakotvorno ali moteno delovanje določenih genov. Sporna je bila tudi uporaba dejavnika c-Myc, ki je znan onkogen. Z odkrivanjem novih nevirusnih in neintegracijskih metod indukcije iPS celic ter z uporabo različnih somatskih celičnih virov kot začetne stopnje v procesu diferenciacije so do danes že premagali številne začetne ovire. Največji napredek je bil dosežen ravno pri razvoju nevirusnih metod indukcije iPS celic. Med najbolj perspektivne metode, ki bi bile uporabne za klinične namene pridobivanja iPS celic, sodi indukcija s proteinskimi dejavniki ali z mikro RNA. Z uporabo nekaterih kemikalij se lahko zmanjša tudi število dejavnikov, potrebnih za indukcijo pluripotentnosti.

Viri

• Junying Yu et al. Induced Pluripotent Stem Cell Lines Derived from Human Somatic Cells. Science, 2007, letn.318, št. 5858, str.1917-1920

• Kazutoshi Takahashi et al. Induction of Pluripotent Stem Cells from Adult Human Fibroblasts by Defined Factors. Cell, 2007, letn.131, št.5, str. 861-872

• Olalla Iglesias-García et al. Induced pluripotent stem cells as a new strategy for cardiac regeneration and disease modeling. Journal of Molecular and Cellular Cardiology, 2013

• Yoshinori Yoshida et al. iPS cells: A source of cardiac regeneration. Journal of Molecular and Cellular Cardiology, 2011, letn.50, št.2, str. 327–332

• Chuanying Pan et al. SNL fibroblast feeder layers support derivation and maintenance of human induced pluripotent stem cells. Journal of Genetics and Genomics, 2010, letn.37, št.4, str. 241–248

• Alejandra M. Vitale et al. Induced pluripotent stem cells: A new technology to study human diseases. The International Journal of Biochemistry & Cell Biology, 2011, letn.43, št.6, str. 843–846