iPS buňky a reprogramace: přeměna jakékoli tělní buňky v buňku kmenovou

Domů

Reprogramace nám umožňuje přeměnit jakoukoli tělní buňku na pluripotentní kmenovou buňku. Tento objev v roce 2006 překvapil mnoho vědců a změnil jejich celkový pohled na buněčný vývoj. Technika buněčné reprogramace otevírá nové vzrušující možnosti studování a léčby nemocí.

Předpokládalo se, že embryonální kmenové buňky (ESC) jsou jediným zdrojem pluripotentních buněk, dokud Kazutoshi Takahashi a Shinya Yamanaka v roce 2006 neukázali, že kožní buňky mohou být přeprogramovány do "indukovaných" pluripotentních kmenových buněk (iPSC) umělým přidáním čtyř genů.

Výzkumní pracovníci byli nadšeni příležitostmi které iPSC nabídly pro studium, léčbu a potenciální vyléčení nemocí. iPSC se také vyvarovaly několika morálních otázek, které doprovázejí používání ESC.

iPSC nabízí výzkumným pracovníkům vynikající možnost, jak vytvořit a studovat nemocné buňky, které obsahují stejnou genetickou informaci jako pacienti.

Vědci neustále pracují na důkladnějším porozumění tomu, jak funguje přeprogramování buněk, aby vyvinuli lepší metody pro řízení diferenciace kmenových buněk.

iPSC se používají ke výzkumu a vývoji léčby mnoha nemocí, v podobě nahrazení buněk zničených nemocí.

Genetické chyby, které způsobují onemocnění, se liší od pacienta k pacientovi. Na iPSC buňkách by bylo možné provádět léčbu „na míru“, která by řešila specifické genetické problémy pacienta. Transplantované iPSC nebude odmítat imunitní systém pacienta, protože jsou vytvořeny z jeho vlastních buněk.

Několik studií ukazuje, že iPSC a ESC buňky často fungují odlišně, pravděpodobně proto, že iPSC nejsou skutečně "stoprocentně" přeprogramované. Výzkumníci stále určují vliv těchto rozdílů na výzkum a medicínu.

Technické problémy a naše dosud omezené chápání iPSC ztěžuje kontrolu kmenových buněk a toho, jak se buňky odvozené z iPSC budou chovat v těle.

Ačkoli léčebné postupy používající přizpůsobené iPSC buňky vypadají přitažlivě, vytváření cenově dostupných a účinných léčebných postupů za pomoci iPSC zůstává velkou výzvou.

V roce 2006 udělal Shinya Yamanaka převratný objev, za který o šest let později získal Nobelovu cenu za fyziologii a medicínu. Objevil nový způsob, jak „přeprogramovat„ dospělé specializované buňky a přeměnit je tak v kmenové buňky. Tyto laboratorně vytvořené kmenové buňky jsou pluripotentní, tedy schopné vytvářet jakýkoli typ buněk v těle, a proto se nazývají indukované pluripotentní kmenové buňky neboli iPS (induced Pluripotent Stem) buňky. Přirozeně pluripotentní jsou pouze embryonální kmenové (Embryonic Stem; ES) buňky. Yamanakův objev tedy znamená, že teoreticky z kterékoli dělící se buňky v těle je možné vytvořit pluripotentní kmenovou buňku.

Jakým způsobem se tedy iPS buňky vytvářejí? Yamanaka pracoval s kožními buňkami myší, kterým dodal čtyři geny. Uvnitř buněk se tím nastartoval proces nazývaný reprogramace a během 2 - 3 týdnů, se buňky přeměnily v iPS buňky. Vědci to umí i s lidskými buňkami dodáním nižšího počtu genů než jsou čtyři.

Tento šestnáctiminutový film ukazuje vědecké poznatky, které stojí za reprogramací. Video je věnované především Yamanakově objevu.

iPS cell colony
Kolonii iPS buňky 

iPS buňky a embryonální kmenové buňky (ES) jsou si velmi podobné. Obojí se mohou obnovovat - mají časově neomezenou schopnost se dělit a vytvářet tak své kopie. V přesně kontrolovaných laboratorních podmínkách mohou být využity oba typy kmenových buněk k vytvoření téměř kterékoli specializované buňky. iPS buňky i ES buňky nám pomáhají porozumět tomu, jak se vyvíjí specializované buňky těla z buněk pluripotentních. V budoucnosti nám mohou také poskytnout neomezenou zásobu náhradních buněk nebo tkání pro pacienty trpící nevyléčitelnými chorobami.

Na rozdíl od ES buněk, iPS buňky se nezískávají z časného embrya. A čím se tyto buňky ještě liší? Současný výzkum naznačuje, že se některé geny v iPS buňkách chovají jinak než ty v ES buňkách. Změny jsou způsobené neúplnou reprogramací buněk a/nebo genetickými změnami vzniklými během jejich růstu a množení. Vědci je podrobně studují, aby zjistili, jak takové rozdíly mohou ovlivňovat využití iPS buněk v základním výzkumu a v klinické praxi. Jak přesně vlastně reprogramace funguje, se zatím neví, a proto je potřeba ještě další podrobný výzkum. V tuto chvíli je většina vědců toho názoru, že není možné v základním výzkumu nahradit ES buňky iPS buňkami.

Důležitým krokem ve vývoji léčebných terapií pro danou chorobu je pochopení toho, jak přesně nemoc funguje: co přesně je špatně v nemocném těle? Aby bylo možné to zjistit, jsou potřeba buňky nebo celá tkáň postižená danou nemocí. Ovšem získat takový materiál není tak jednoduché, jak se může zdát. Například je téměř nemožné získat mozkové buňky od pacienta s Parkinsnovou chorobou, natož v brzkých stádiích onemocnění, kdy si pacient ještě není vědom žádných příznaků. Reprogramace vědcům umožňuje přístup k mozkovým buňkám (neuronům) zasaženým Parkinsnovou chorobou a to tak, že vědci nejprve vytvoří iPS buňky například z kožní biopsie pacienta s Parkinsnovou chorobou. Tyto iPS buňky dále použijí k vytvoření neuronů v laboratoři. Tyto neurony pak mají stejnou genetickou výbavu jako pacientovy vlastní buňky, takže vědci mohou pracovat s neurony s Parkinsnovou chorobou na kultivační misce a využít je k podrobnějšímu studiu dějů uvnitř buňky. Buněčné modely nemocí se mohou použít také k vývoji a testování nových léčiv.

Reprogramace má velký potenciál pro nové medicínské aplikace, jako jsou buněčné terapie. Protože se iPS buňky dají vytvořit z pacientovy vlastní kůže, mohou se použít i k získání specializovaných buněk, které se shodují s pacientovými a nebudou tak odmítnuty jeho imunitním systémem. Pokud má pacient nějakou genetickou chorobu, může být genetický problém opravený v jeho iPS buňkách v laboratoři a tyto opravené iPS se použijí k vytvoření dávky zdravých specializovaných buněk vhodných pro transplantaci. Tyto výhody jsou ale v současnosti pouze teoretické.

Donedávna vytváření iPS buněk zahrnovalo trvalé genetické změny uvnitř buněk, které mohly Vyvolávat tvorbu nádorů. Nyní ale vědci vyvinuli metody na tvorbu iPS buněk bez genetických modifikací. Nové techniky jsou důležitým krokem k vytvoření specializovaných buněk z iPS buněk, jejichž použití bude pro pacienty bezpečné. K úplnému pochopení toho, jak přesně rerogramace funguje a jak mohou být iPS buňky kontrolovány a vytvářeny tak, aby měly odpovídající kvalitu a splňovaly bezpečnostní požadavky pro klinické použití, je však potřeba další výzkum.

Autorem textu je Manal Hadenfeld, v roce 2012 text aktualizovali Michael Peitz a Annette Pusch a kontrolu provedl Oliver Bruestle.

Fotografie Shinya Yamanaka od Rubensteina. Další obrázky vytvořili Michael Peitz, Johannes Jungverdorben and Michael Rossbach.