Tumorigenost iPSC

Zarodne matične celice in zarodne kancerogene celice sta dva zelo podobna tipa celic. Prve so bile odkrite kancerogene celice, odkritje le teh pa je spodbudilo znanstvenike k nadaljnji raziskavi in kmalu so odkrili tudi zarodne matične celice. Tukaj lahko vidimo prvo povezavo med matičnimi in tumornimi celicami, saj so nujne podobne lastnosti najverjetneje pripeljale do podobnih odkritji. Prav tako vidimo korelacijo med pluripotentnostjo matičnih in tumorigenostjo kancerogenih celic.

Ali sta pluripotentnost in tumorigenost združena?

Nedavne študije kažejo, da so pri obeh tipih celic na delu podobni transkripcijski elementi. Povezavo med pluripotentnostjo in tumorigenostjo ponazarja dejstvo, da so geni, ki se uporabljajo za produkcijo IPSC (induced pluripotent stem cells) nedvoumno onkogeni Myc in KLF4 ali pa so bili povezani s tumorigenostjo kot na primer Sox2, Nanog in Oct3. Odkrito je bilo, da koktajl jedrnih pluripotentnih faktorjev in izbranih izraznih faktorjev (npr. Myc in Lin28), lahko reprogramirajo diferencirano celico v zarodno matično celico in to poudari jasno vlogo transpripcijskih faktorjev ter nakaže usodo celice.

Molekularna osnova tumorigenosti in zarodnih matičnih celic

Izražanje Myc gena močno poveča tvorjenje induciranih pluripotentnih celic, vendar ni nepogrešljiv član pluripotentne mreže. Myc torej zasede veliko več tarčnih genov kot jedrni faktorji. Ti geni so večinoma udeleženi pri celičnem metabolizmu, ciklu in proteinski sintezni poti, medtem ko so jedrni faktorji povezani z razvojem in transkripcijsko povezanimi procesi. Vendar pa je splošno gensko izražanje zarodnih matičnih celic najverjetneje sestavljeno iz manjših setov podznačilnosti oz. modululov, ki vsebujejo razdeljene pluripotentne faktorje na Core (jedrni) modul, Polycomb modul (kompleksni faktorji) in Myc modul (sorodni faktorji). Najprej odkrita Myc-centralna mreža v zarodnih matičnih celicah je močno neodvisna od jedrne mreže pluripotentnosti zarodnih celic. Core modul oziroma jedrni vezavni faktorji so heterodimerni transkripcijski faktorji, ki regulirajo gensko transkripcijo genov, primarno za celično diferenciacijo in cikel. Polycombna skupina proteinov je družina proteinov, prvotno odkritih v sadni muhi (fruit flies), ki lahko preoblikujejo kromatin tako, da epigenetsko utišane gene izrazijo. Myc protein je regulatorni gen, ki poseduje zapis za transkripcijski faktor. V človeškem genomu se Myc nahaja na osmem kromosomu in naj bi reguliral ekspresijo 15 % vseh genov. Regulacija poteka tako, da se Myc veže na E-škatle (E-boxes) in aktivira histon acetiltransferazo. Ugotovili so tudi, da so promotorji, ki so zasedeni z Myc transkripcijskim regulatorjem, močno soodvisnost s histonom H3 lizin 4 trimetilno (H3K4me3) in obratno soodvisnost s histonom H3 lizin 27 trimetiliranim (H3K27me3), kar pokaže jasno povezavo med Myc in epigenetsko regulacijo. Opazno je, da ima H3K4me3 pozitivno koleracijo med aktivnimi geni in odprto kromosomsko strukturo. Študije ne-zarodnih celic (non-embryonic cells) pa kažejo, da Myc reagira s histon aciltransferazo. Izboljšane IPSC generacije celic imajo torej za boljšo učinkovitost dodane histonske deacetilazne inhibitorje, kar namiguje na to, da so globalne spremembe v epigenetskih značilnostih nujno potrebne za somatsko celično reprogramiranje. Ti moduli so med seboj neodvisni pri zarodnih matičnih celicah, prav tako pri reprogramiranju somatskih celic. Z opazovanjem in analiziranjem aktivnosti teh modulov lahko povzamemo, da si zarodne matične celice in kancerogene celice delijo aktivnost Myc modula ne pa tudi aktivnost Core modula. Torej imajo zarodne in kancerogene celice prevladujoč značaj in povezavo predvsem z Myc regulatorno mrežo oz. modulom. Ker obdržijo svojo pluripotentnost, so zarodne matične celice zmožne neskončnega obnavljanja. Glavni značilnosti zarodnih matičnih celic, IPSC in prav tako rakavih celic pa sta preprečena diferenciacija in zmožnost neskončnega obnavljanja.

Ali bodo negenetske metode za pridobivanje IPSC zmanjšale verjetnost tumorjev?

Bolj kot je celica izvorna večja je možnost da bo povzročila tumor, kar razloži zakaj so IPSC po naravi dosti bolj tumorigene od neizvornih celic. Najbolj zaskrbljujoče je, da skoraj vsa izdana dela dokazujejo, da skoraj vse IPSC povzročajo teratom. Genetske spremembe, ki so neločljivo povezane z IPSC generacijskim procesom, lahko povečajo možnost tumorigeneze preko induciranih genov in tudi preko potencialnih sprememb na integracijskih mestih. Področje IPSC se počasi oddaljuje od induciranih metod, ki temeljijo na genetskih spremembah. Taki postopki so sicer še v začetnih fazah z obetajočimi rezultati, ki napovedujejo, da bi taka metoda morala generalno zmanjšati tumorigenezo. Vendar se še vedno ne ve, če bo kdaj mogoče narediti IPSC brez genetskih sprememb? Bodo lahko IPSC kdaj neodvisne od Myc, KLF4 in drugih onkogenov? Čeprav se zdi da lahko in, da se opušča Myc, vendar take IPSC še vedno povzročajo teratome.

Pristopi, ki bi naredili terapije z izvornimi celicami bolj varne

• Presaditev matičnih celic

Normalne izvorne celice kot so ESC lahko še vedno povzročajo tumorje. Pojavljajo se opažanja, da teratokarcinom in teratom lahko vsebujeta izvorne celice. Te tumorne izvorne celice so zelo podobne normalnim izvornim celicam, vendar je njihova pluripotentnost omejena. Eden od verjetno enostavnejših načinov, kako upočasniti tumorigenost normalnih izvornih celic pred presaditvijo, leži v njihovem naravnem zapornem sistemu. Pri pluripotentnosti parcialno diferenciranih celic in njihovih prednicah. Ideja je, da se uporabi izvorne celice za proizvajanje "prednikov"in nato transplantirati samo prednike. Tak pristop so odobrili januarja 2009, ki je temeljil na človeških ESC pridobljenih iz oligodendrocitov. Da se transpalntira samo prednike je treba vzorec očistiti. Čiščenje je lahko pozitivno (uporaba markerjev, ki prepoznajo prednike) ali pa negativno (uporaba markerjev, ki eliminirajo izvorne celice). Vendar v praksi nikoli ne deluje vse prav in ostane v vzorcu še nekaj izvornih celic. Preostale izvorne celice so unikatne in predstavljajo večjo verjetnost za pojav tumorjev, saj so pobegnile diferenciaciji in oslabile pluripotentnost, kar jih privede bližje k tumorigenemu fenotipu. Najbolj praktičen pristop bi bil verjetno kombinacija diferenciacije in sortiranja.

• Samomorilski gen

Stabilna uvedba samomorilskega gena, kot je timidin kinaza (tk) v izvorne celice je tudi ena od možnosti. Bila naj bi učinkovita v povezavi z Gan zdravljenjem. Z Gen terapijo se ubije tudi vse diferencirane celice teratoma. Relativno enostavna modifikacija, kot je uporaba oct3 ali nanog promotorja bi privedla do ekspresije tk in bi bolj specifično ubila samo človeške ESC, ki so pobegnile diferenciaciji. Velik problem je pristop s samomorilskim genom, ki gensko spremeni izvorne celice, kar lahko poveča verjetnost tumorigeneze že na začetku.

• Ubiti izvorne celice z metodo ki ni genetska

Če se bo izkazalo, da je pristop s samomorilskim genom neuporaben, se bo moralo najti kakšno drugo metodo, da se eliminira ostale izvorne celice. Čeprav je mogoče, da bi pacienti dobili kemoterapevtike širokega spektra in tako ubili izvorne celice, bi bilo za mnoge to preveč toksično. Nejasno pa je tudi kako efektivno bi bilo to pri izvornih celicah, ki so trenutno v mirovanju. Čeprav bi morale biti človeške ESC in IPSC uničene s kemoterapijo, bi se lahko in vivo izkazalo drugače in bi bil transplantant IPSC odporen na kemoterapijo. Želeno je najti metodo, ki bi bolj specifično ubila izvorne celice. Obetaven pristop se zdi z uporabo ubijalskih protiteles, ki bi zaznala antigene na površini človeških ESC. Tak primer je SSEA-4. Odkriti so bili tudi novi antigen, kot je podocalyxinlike protein-1, ki deluje obetavno, še posebej pri nediferenciranih človeških ESC. Problem je v tem, da se še ne ve točno njegova specifičnost in stranski učinki zdravljenja s protitelesi.

• Uporaba izvornih celic za transplantacijo, vendar bi se prej eliminiralo z negenetsko metodo tiste, ki so potencialno tumorigene

To je v teoriji najenostavnejši pristop, vendar danes seveda še ne obstaja, saj so človeške ESC nagnjene k tvorbi teratoma.

Še vedno ostaja upanje da se bo razvil pristop ki bo lahko ločil tumorigeno populacijo od netumorigene, ali pa da se bo selektivno targetirala tumorigena populacija. Upanje ostaja in odkriva se vse več molekulskih mehanizmov o izvornih in tumorskih celicah. Nekoč se bo našla razlika ki bo lahko eliminirala tumorigenost in ohranila pluripotentnost.

Viri

• Knoepfler Paul. 2009. Deconstructing Stem Cell Tumorigenicity: A Roadmap to Safe Regenerative Medicine. Stem cells, Volume 27, 12 February 2009, Pages 1050–1056
• Jonghwan Kim, Andrew J. Woo, Jianlin Chu, Jonathan W. Snow, Yuko Fujiwara, Chul Geun Kim, Alan B. Cantor, Stuart H. Orkin. 2010. A Myc Network Accounts for Similarities between Embryonic Stem and Cancer Cell Transcription Programs. Cell, Volume 143, Issue 2, 15 October 2010, Pages 313-324
• Michael E. Rothenberg, Michael F. Clarke, Maximilian Diehn. 2010. The Myc Connection: ES Cells and Cancer. Cell, Volume 143, Issue 2, 15 October 2010, Pages 184–186
• National Library of Medicine. 27.5.13. http://www.nlm.nih.gov/cgi/mesh/2011/MB_cgi?mode=&term=Core+Binding+Factors
• Wikipedia, the free encyclopedia. 27.5.13. http://en.wikipedia.org/wiki/Polycomb-group_proteins
• Wikipedia, the free encyclopedia. 27.5.13. http://en.wikipedia.org/wiki/Myc