Nowe narzędzia w badaniu chorób: przeprogramowane komórki w modelowaniu chorób
Jesteśmy w trakcie tłumaczenia i aktualizacji tego materiału w Twoim języku. Poniżej dostępne jest tłumaczenie poprzedniej wersji. W celu zapoznania się z najnowszą wersją, dostępną obecnie tylko w języku angielskim, zmień język na angielski.
Aby zrozumieć i zwalczać choroby, niezbędne jest prowadzenie badań, które często są ograniczone przez brak dostępu do pacjentów i do zmienionych chorobowo tkanek. “Modele chorób” mogą pomóc pokonać tę przeszkodę, umożliwiając naukowcom badanie tkanek w laboratorium. Komórki macierzyste, także przeprogramowane komórki iPS, stanowią nowe źródło komórek, które mogą być wykorzystane jako modele chorób trudnych do badania w inny sposób.
Naukowcy tworzą komórki iPS poprzez “przeprogramowanie” wyspecjalizowanych dorosłych komórek, takich jak komórki skóry. Komórki iPS mogą być następnie wykorzystane do wytworzenia dowolnego rodzaju komórek występujących w ciele, takich jak komórki serca lub mózgu.
Komórki iPS zawierają te same geny i mutacje co pacjenci, od których pochodzą, naukowcy mogą więc stosować komórki iPS do odtwarzania w laboratorium chorób i do badania, w jaki sposób ich struktura genetyczna wpływa na chorobę.
Komórki iPS pozwalają naukowcom obserwować i badać proces różnicowania się, czyli specjalizacji komórek, oraz w jaki sposób trudności w tym procesie mogą powodować choroby.
Wiele chorób, począwszy od zaburzeń neurologicznych, takich jak ALS (stwardnienie zanikowe boczne), po choroby krwi i niedobory immunologiczne, jest obecnie badanych za pomocą modeli chorób wykorzystujących komórki iPS.
Komórki te są również stosowane do tworzenia chorych komórek do testowania nowych leków i terapii w laboratorium.
Naukowcy wykorzystują również komórki iPS do “cofania czasu” w komórkach pacjentów i obserwacji, w jaki sposób zdrowe komórki stają się chore. Komórki iPS pozwalają również naukowcom badać, jak geny pacjenta, ich mutacje i warunki środowiskowe mogą wpływać na postępowanie choroby.
Naukowcy nadal badają komórki iPS. W teorii mogą one tworzyć dowolne komórki ciała, naukowcy muszą jednak dowiedzieć się, w jaki sposób odpowiednio nimi pokierować.
Chociaż komórki iPS dostarczają naukowcom komórki zawierające geny i mutacje związane z daną chorobą, nie oznacza to, że wyspecjalizowane komórki wytworzone z komórek iPS będą zachowywały się w laboratorium w ten sam sposób co chore komórki w organizmie.
Modelowanie przy użyciu komórek iPS chorób złożonych (spowodowanych przez problemy występujące pomiędzy komórkami budującymi złożone struktury, tkanki i organy) nie jest obecnie możliwe, jednak nie jest wykluczone w odległej przyszłości.
Istnieje wiele różnorodnych chorób; niektóre z nich mogą kosztować nas życie, inne powodują drobne niedogodności. Możliwość lub brak możliwości leczenia choroby często zależy od zrozumienia mechanizmów jej działania. Bez badania mechanizmów działania choroby trudno jest opracować leczenie.
Modelowanie chorób pozwala naukowcom badać mechanizm działania choroby w laboratorium, a nie na pacjencie. Model choroby jest reprezentacją wystąpienia zaburzonego mechanizmu u człowieka lub zwierzęcia. Modelem może być zarówno mysz z chorobą naśladującą chorobę człowieka, jak i komórki w probówce. Bez względu na rodzaj modelu, musi on odtwarzać istotne aspekty choroby lub nawet całą jej patologię (wszystkie fizyczne efekty choroby), poza organizmem człowieka.
Modele umożliwiają bliższe, bardziej szczegółowe badanie chorób. Pozwalają również na wielokrotne powtarzanie eksperymentów, co jest niezbędne, aby uznać wyniki za godne zaufania. Systemy biologiczne, takie jak nasze ciała, są bardzo skomplikowane, a nasze zrozumienie ich jest nadal ograniczone. Na rezultaty wpływ może mieć wiele czynników, których nie rozumiemy lub nie możemy kontrolować, co prowadzi do niejednolitych wyników eksperymentów. Aby uzyskać jednoznaczną odpowiedź, naukowcy muszą powtarzać eksperymenty wielokrotnie. Im lepiej rozumiemy chorobę, tym bardziej uproszczone eksperymenty można przeprowadzić, aby uzyskać odpowiedzi na konkretne pytania.
Jednym ze sposobów uproszczenia skomplikowanej choroby jest przeanalizowanie poszczególnych komórek lub grup komórek zamiast przyglądania się złożonym tkankom lub całemu organizmowi.
Modele zwierzęce,np. mysie, są szeroko rozpowszechnione w badaniach, ponieważ są stosowane od wielu lat i pozwalają na uzyskanie objawów podobnych do tych obserwowanych u ludzi. Zwierzęta nie są jednak w stanie odzwierciedlić w pełni wszystkich aspektów biologii człowieka lub choroby. Leki opracowane na modelu zwierzęcym mogą zapewnić istotne wskazówki i informacje, jednak nie zawsze są skuteczne u ludzi. Eksperymenty na zwierzętach mają także inne ograniczenia: implikacje etyczne oznaczają, że wykorzystanie zwierząt do eksperymentów musi być zmniejszone do minimum. Ponadto modele zwierzęce są kosztowne i czasochłonne w przygotowaniu i stosowaniu. Modele chorób oparte na komórkach ludzkich mogą pomóc rozwiązać te problemy. Stosowanie komórek ludzkich jest szczególnie istotne, ponieważ pozwala uniknąć różnic pomiędzy zwierzętami a ludźmi.
Ludzkie komórki zostały po raz pierwszy wyhodowane w laboratorium w XIX wieku. Od tamtej pory udało nam się lepiej je zrozumieć, a dzięki postępowi technologicznemu utrzymanie ich przy życiu i niedopuszczenie do skażenia ich bez ochrony organizmu stało się łatwiejsze. Do postępu w tej dziedzinie przyczyniły się badania nad komórkami nowotworowymi, które, po podaniu właściwych składników odżywczych, mogą rozrastać się przez długi czas, a nawet w nieskończoność. Zdrowe komórki mają ograniczoną żywotność i są wymagające w utrzymaniu i rozmnażaniu w probówce. Mogą być również trudne do pozyskania. Niektóre komórki, takie jak komórki skóry czy krwi, mogą być pobrane od pacjenta stosunkowo łatwo; inne jest znacznie trudniej uzyskać, lub jest to wręcz niemożliwe. Przykładem mogą być ludzkie komórki mózgu, których nie można pobrać bez inwazyjnej operacji, a które są konieczne do badania znacznej liczby chorób neurodegeneracyjnych. Rozwiązaniem tego problemu mogą być pewne rodzaje komórek macierzystych.
Komórki macierzyste mogą zarówno się odnawiać (kopiować się), jak i różnicować (zmieniać się) w komórki wyspecjalizowane. Jeden ich rodzaj jest szczególnie skutecznym narzędziem w modelowaniu chorób: indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste, czyli komórki iPS. Te wyhodowane w laboratorium komórki macierzyste tworzone są poprzez “przeprogramowywanie” komórek wyspecjalizowanych, takich jak komórki skóry. Powstałe w ten sposób komórki iPS mogą produkować wszystkie rodzaje komórek ciała. Oznacza to, że mogą one stanowić źródło komórek trudnych do pozyskania w inny sposób, takich jak komórki mózgu. Naukowcy pracują nad sposobami kierowania komórkami iPS, aby tworzyły one określony rodzaj komórek w zależności od potrzeb. Embrionalne komórki macierzyste, uzyskane z zarodków we wczesnej fazie rozwoju, również mają zdolność tworzenia różnych komórek ciała. Komórki iPS mają jednak znaczną przewagą w modelowaniu chorób: mogą być one produkowane w laboratorium poprzez przeprogramowanie własnych komórek skóry pacjenta, tworząc komórki specyficzne dla niego. Jeśli choroba ma podłoże genetyczne, wyhodowane w laboratorium komórki będą miały tę samą wadę genetyczną. Komórki iPS mają jeszcze jedną zaletę. Choroby są zwykle wykrywane po pojawieniu się objawów, co może mieć miejsce długi czas po rozpoczęciu procesu chorobowego. Oznacza to, że niemożliwe jest zbadanie początku choroby bez cofnięcia się w czasie. Technologia przeprogramowywania działa jak wehikuł czasu, przywracając komórki dojrzałe do wczesnego stanu embrionalnego. Te komórki pseudoembrionalne mogą być później wykorzystane do wytworzenia dowolnych komórek, od wczesnych do późnych stadiów ich rozwoju. Daje to naukowcom narzędzie do modelowania zjawisk w chorym organizmie człowieka. Komórki uzyskane w ten sposób są nazywane modelami chorób z wykorzystaniem komórek iPS.
W ciągu ostatnich kilku lat komórki iPS zostały stworzone z komórek pacjentów z różnymi chorobami. Jednym z przykładów wykorzystania komórek iPS w modelowaniu chorób jest badanie nieuleczalnej obecnie choroby, SMA (rdzeniowy zanik mięśni). U pacjentów z SMA występuje wada w genie SMN1. Wpływa ona na komórki nerwowe w rdzeniu kręgowym, powodując osłabienie mięśni, znaczną niepełnosprawność oraz skrócenie długości życia dzieci. Chorobowo zmienione komórki nerwowe są trudne do pozyskania od dawców, możliwe jest natomiast stworzenie ich z komórek iPS. Komórki SMA-iPS pozbawione prawidłowo działającego genu SMN1 zostały stworzone w laboratorium i są obecnie wykorzystywane do modelowania i badania początków choroby w rozwijających się komórkach nerwowych. Po zidentyfikowaniu cech charakterystycznych tych komórek, naukowcy będą mogli przeprowadzić badania przesiewowe w celu znalezienia skutecznych leków. Komórki SMA-iPS mogą więc przyczynić się do opracowania nowych leków bez konieczności testowania ich bezpośrednio na pacjentach we wczesnej fazie badań.
Oprócz SMA, inne choroby badane za pomocą komórek iPS to stwardnienie zanikowe boczne, choroba Alzheimera, zespół ataksja-teleangiektazja, zespół Downa, zespół Rileya-Daya, zespół łamliwego chromosomu X, ataksja Friedreicha, pląsawica Huntingtona, choroba Niemanna-Picka, choroba Parkinsona i schizofrenia. Opracowywane są również modele iPS wielu innych chorób: neurologicznych, chorób krwi, metabolicznych, układu sercowo-naczyniowego, niedoboru odporności i innych. Liczba chorób badanych w ten sposób wciąż rośnie. Godnym uwagi przykładem wykorzystania modelu iPS do badania choroby i odkrycia potencjalnego leku są badania nad ALS (stwardnienie zanikowe boczne, choroba Lou Gehriga). ALS to nieuleczalna choroba prowadząca do zniszczenia mięśni i paraliżu z powodu utraty komórek nerwowych w rdzeniu kręgowym. Około jednej czwartej przypadków dziedzicznego ALS jest spowodowanych mutacjami w genie SOD1. Obecnie nie ma leku na tę wyniszczającą chorobę, a jedyną dostępną dla pacjentów terapią jest riluzol, który jedynie opóźnia wystąpienie objawów. Odkrycie nowego leku na ALS jest utrudnione przez brak odpowiednich modeli do przedklinicznego badania potencjalnych terapii. Obecne modele zwierzęce nie odzwierciedlają całkowicie ludzkiego fenotypu choroby. Naukowcy stworzyli komórki iPS z komórek pacjentów z ALS i wykorzystali je do wyprodukowania kolejnych komórek nerwowych ALS. Te komórki nerwowe wykazują cechy charakterystyczne dla choroby i zostały wykorzystane do poszukiwania leków będących w stanie zniwelować objawy choroby. Jeden z tych leków, azogabina, jest obecnie badany w próbach klinicznych. Naukowcy mają nadzieję, że zakończą się one sukcesem, a pacjenci z ALS otrzymają skuteczny lek. Nawet jeśli próby kliniczne się nie powiodą, naukowcy będą dysponować modelem pozwalającym na dalsze badania choroby i testowanie nowych, potencjalnych leków.
Komórki iPS są podstawą modelowania chorób, jednak mają one pewne ograniczenia i mogą nie być odpowiedzią na wszystkie pytania naukowców:
Nowy rodzaj komórek macierzystych - komórki iPS to całkowicie nowy, wytworzony w laboratorium rodzaj komórek macierzystych. Konieczne są dalsze badania w celu zrozumienia procesu przeprogramowywania i jego efektów oraz oceny potencjalnych zastosowań i ryzyka.
Odtworzenie choroby jest złożonym procesem - celem modelowania chorób z wykorzystaniem komórek iPS jest odtworzenie choroby poza organizmem pacjenta poprzez generowanie komórek z kodem genetycznym pacjenta. Nie zawsze prowadzi to jednak do powstania komórek mających charakterystyczne cechy choroby. Chociaż często choroby są całkowicie lub częściowo spowodowane błędami w kodzie genetycznym, inne procesy biologiczne także wpływają na lub zapoczątkowują wiele chorób. Niektóre z tych procesów chorobowych zapoczątkowanych przez DNA nie mogą być kontrolowane lub odzwierciedlane za pomocą obecnej technologii iPS. Modelowanie chorób z wykorzystaniem komórek iPS może pomóc naukowcom przeanalizować dokładnie, jaka część choroby jest spowodowana zmianami w DNA.
Modelowanie różnych rodzajów chorób - chociaż komórki iPS mogą teoretycznie być stosowane do modelowania każdej choroby, są one bardziej odpowiednie do modelowania chorób powodowanych przez mutacje w pojedynczym genie (choroby jednogenowe) niż do modelowania chorób powodowanych przez zmiany w kilku genach (choroby wielogenowe) czy chorób powodowanych przez czynniki środowiskowe.
- Choroby wpływają na wiele rodzajów komórek - modele chorób iPS pozwalają naukowcom badać, jak choroba wpływa na konkretne rodzaje komórek. Choroby zazwyczaj wywierają wpływ na złożone tkanki lub narządy zawierające kilka różnych rodzajów komórek we współdziałających ze sobą warstwach. Interakcja pomiędzy różnymi komórkami jest często przynajmniej częściowo odpowiedzialna za chorobę. Aby wymodelować te aspekty chorób całościowo, naukowcy muszą zbudować najpierw bardziej złożone struktury.
Komórki iPS pozwalają naukowcom badać uprzednio niedostępne komórki znajdujące się w organizmie, takie jak komórki nerwowe w mózgu. Wykorzystanie ich do modelowania chorób stanowi istotny wkład w lepsze zrozumienie mechanizmów działania wielu chorób. Wiele badań jest już w toku, a naukowcy mają nadzieję, że dzięki modelom chorób bazującym na komórkach iPS uda się uzyskać cenne wskazówki dotyczące opracowywania nowych leków i innych metod leczenia klinicznego.
Broszura została opracowana przez Christiana Ungera i zrecenzowana przez Petera Andrews. Została ona ponownie zrecenzowana i uaktualniona przez Ivanę Barbaric w marcu 2016 roku.
Animacje: Duncan Brown.
Zdjęcie wprowadzające: Emma Kemp za pomocą Servier Medical Art. Zdjęcia tabletek: MorgueFile. Wszystkie inne zdjęcia: Christian Unger (zdjęcie światła UV stworzone w ramach Smile of a stem cell exhibit by ESTOOLS).
Tłumaczenie na język polski: Barbara Banasiuk.