Oko i komórki macierzyste: ścieżka do przywrócenia wzroku

Wzrok jest najprawdopodobniej najważniejszym ze zmysłów; polegamy na nim, żeby bez problemów poruszać się w naszym otoczeniu. Utrata wzroku ma ogromny wpływ na nasze życie, a wiele schorzeń powodujących ślepotę jest obecnie niemożliwych lub trudnych do wyleczenia. Naukowcy stosują obecnie komórki macierzyste do badania nowych możliwości w zakresie leczenia utraty wzroku.

Leczenie większości schorzeń powodujących utratę wzroku jest obecnie trudne lub niemożliwe. Wyspecjalizowane komórki w oku pełnią określone funkcję, pozwalające skupić światło i zmienić to, co widzimy, w sygnały odbierane przez mózg. Oko zawiera wiele rodzajów komórek macierzystych nieustannie zastępujących wyspecjalizowane komórki, które uległy zużyciu lub uszkodzeniu.

Holoclar® jest obecnie jedyną klinicznie zatwierdzoną metodą leczenia oka z wykorzystaniem komórek macierzystych. Metoda ta polega na przywróceniu wzroku pacjentom z uszkodzoną rogówką (przejrzysta, zewnętrzna część oka) poprzez przeszczepienie wyhodowanych w laboratorium rąbkowych komórek macierzystych w miejsca, gdzie tych komórek brakuje.

Holoclar® jest skuteczny jedynie w przypadku pacjentów, którzy posiadają rąbkowe komórki macierzyste wystarczające do wyhodowania ich większej ilości w laboratorium. Obecnie opracowywane są nowe metody tworzenia rąbkowych komórek przy pomocy pluripotencjalnych komórek macierzystych dla osób nieposiadających rąbkowych komórek macierzystych .

Naukowcy badają wpływ przeszczepiania komórek pigmentowanego nabłonka siatkówki wyhodowanych przy pomocy pluripotencjalnych komórek macierzystych na zapobieganie utraty wzroku u pacjentów z chorobami takimi jak związane z wiekiem zwyrodnienie plamki żółtej.

Naukowcy wykorzystują  również komórki macierzyste do badań nad wieloma innymi zagadnieniami dotyczącymi oka, począwszy na tym, jak jest ono zbudowane, poprzez przyczyny chorób oka, na ich leczeniu skończywszy .

Wiele chorób powodujących utratę wzroku jest obecnie nieuleczalnych. Naukowcy starają się zrozumieć, co powoduje te choroby, jakie są inne typy komórek macierzystych oka i jak komórki macierzyste mogłyby być użyte do naprawy czy nawet przywrócenia wzroku pacjentom. Wiele z tych badań jest nadal w początkowych stadiach. W przypadku metody Holoclar® opracowanie bezpiecznego i skutecznego leczenia zajęło naukowcom ponad dwadzieścia lat. Upłynie sporo czasu, zanim dzisiejsze badania i odkrycia zaowocują skutecznymi i bezpiecznymi metodami leczenia innych rodzajów ślepoty.

Oko jest narządem odpowiedzialnym za nasza zdolność widzenia świata. Jest ono w stanie wykrywać światło w otoczeniu i przekazywać informacje do mózgu na temat tego, co zostało wykryte. Jest to organ o bardzo złożonej budowie, składający się z wielu wyspecjalizowanych komponentów, nieco podobny do kamery. Komponenty te, czyli tkanki, składają się z wielu rodzajów komórek, z których każda ma określone zadanie do wykonania, co umożliwia tkankom prawidłowe działanie.

DIagram of the eye
Oko: Złożony narząd składający się z kilku warstw różnego rodzaju komórek

Główne części oka to:

Rogówka Przeźroczyste “okno” na przodzie oka, które pozwala światłu przedostać się do środka.
Soczewka Działa jak soczewka w aparacie fotograficznym – skupia światło przedostające się do oka.
Siatkówka „Obwód elektryczny” w tylnej części oka, który jest odpowiedzialny za widzenie. Jest to najbardziej złożona część oka, składająca się z kilku różnych rodzajów komórek pełniących określone funkcje. Są to np. fotoreceptory, które wykrywają światło przedostające się do oka i wytwarzają impuls elektryczny.
Nerw wzrokowy Biologiczny „przewód elektryczny” łączący oko z mózgiem. Jest on odpowiedzialny za przesyłanie sygnałów z siatkówki do mózgu. Następnie mózg interpretuje te sygnały, aby dać nam obraz otoczenia. Nerw wzrokowy jest powiązany z siatkówką.
Pigementowany nabłonek siatkówki Pojedyncza warstwa czarnych komórek znajdujących się za siatkówką. Wspomaga on siatkówkę, a także pełni inne role, np. przetwarza składniki odżywcze.
   

 

Zaburzenia lub schorzenia oka występują, gdy uszkodzony zostaje i/lub przestaje funkcjonować jeden lub więcej z tych elementów. W zależności od tego, jakie fragmenty ulegają uszkodzeniu, występują określone schorzenia. Trudność z leczeniu tych schorzeń polega na tym, że, w przeciwieństwie do części zamiennych dla kamery czy aparatu fotograficznego, nowe komponenty biologiczne oka nie są łatwe do pozyskania. Właśnie tutaj użyteczne mogą być komórki macierzyste. Mogą one stać się źródłem nowych, zdrowych, wyspecjalizowanych komórek i umożliwić zastąpienie zniszczonych komórek w oku. Istnieje kilka rodzajów komórek macierzystych, które można wykorzystać w różny sposób, w zależności od konkretnego zaburzenia. Na czym koncentrują się obecnie naukowcy?

Limbal stem cells
Rąbkowe komórki macierzyste z ludzkiej rogówki, z białkiem p63 zaznaczonym na żółto. Jądro komórki (zawierające DNA) jest zaznaczone na czerwono

Komórki tworzące  rogówkę („okno” oka) ulegają nieustannym uszkodzeniom poprzez mruganie i narażenie na działanie środowiska. Za wytwarzanie nowych komórek rogówki i zastępowanie tych uszkodzonych odpowiedzialna jest niewielka liczba komórek macierzystych. Nazywane są one komórkami rąbkowymi, ponieważ występują na brzegu rogówki, w obszarze nazywanym rąbkiem. Kiedy komórki rąbkowe zostają utracone z powodu obrażeń lub choroby, dalsza odbudowa rogówki jest niemożliwa. Wpływa to na zdolność rogówki do obierania bodźców świetlnych, co prowadzi do znacznej utraty wzroku.

Przeszczep  rąbkowych komórek rogówki ze zdrowego oka może pomóc w naprawie rogówki i przywrócić pacjentowi wzrok. Niestety procedura ta wiąże się z ryzykiem dla zdrowego oka i dla pacjenta; występują także inne trudności - że procedura ta nie jest doskonała. Jeśli, na przykład, pacjent ma uszkodzenia obu oczu, pozyskanie jakichkolwiek komórek rąbkowych może być niemożliwe. Można zastosować komórki od dawcy, jednak jest ich niewielu, szanse na powodzenie takiej procedury są mniejsze, a komórki pochodzące od dawcy działają jedynie w krótkim i średnim okresie czasu.

Diagram on repairing the cornea
Odbudowa rogówki: Obecnie jedyna oparta na komórkach macierzystych udowodniona metoda leczenia oka.

Obecnie jest to jedyny potwierdzony sposób leczenia z wykorzystaniem komórek macierzystych. Nie jest on jednak jeszcze ogólnodostępny. Zanim ta metoda zostanie zatwierdzona przez odpowiednie władze do powszechnego stosowania w Europie, konieczne jest przeprowadzenie dalszych badań klinicznych z udziałem większej liczby pacjentów.

Recent research has led to improvements in methods for growing limbal stem cells in the lab, and to better transplantation techniques. However, there are still limitations in the amount of new cells that can be obtained from a sample taken from the eye. Researchers are currently investigating the possibility of using a different approach – starting from embryonic stem cellsor induced pluripotent stem (iPS) cells  to make new limbal stem cells in the lab. This would remove the need for complex surgery for donors, as well as providing a theoretically endless source of large quantities of limbal stem cells for patients who require new ones. It is hoped that this kind of approach will be available for patients in the future.

Dzięki prowadzonym badaniom poczyniono postępy w hodowaniu rąbkowych komórek macierzystych w laboratorium, a także udało się opracować lepsze techniki transplantacyjne. Niestety, istnieją ograniczenia w kwestii ilości nowych komórek, jakie można uzyskać z próbki pobranej z jednego oka. Aby rozwiązać ten problem, naukowcy badają możliwość wytworzenia w laboratorium rąbkowych komórek macierzystych z embrionalnych komórek macierzystych lub indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych. Dzięki temu dawcy nie musieliby przechodzić przez skomplikowaną procedurę pobierania komórek; komórki te mogłyby także teoretycznie stanowić niewyczerpane źródło dużych ilości komórek rąbkowych. Istnieje nadzieja, że tego rodzaju leczenie będzie w przyszłości dostępne dla pacjentów.

Komórki pigmentowanego nabłonka siatkówki  (RPE) mają kilka istotnych zadań, między innymi wspomaganie działania przyległej siatkówki. Jeśli komórki RPE nie działają poprawnie na skutek urazu lub choroby, pewna część siatkówki obumiera. Ponieważ siatkówka jest odpowiedzialna za wykrywanie światła, prowadzi to utraty wzroku. Komórki RPE mogą ulec uszkodzeniu na skutek wielu chorób, takich jak np. związane z wiekiem zwyrodnienie plamki żółtej, retinopatia barwnikowa czy wrodzona ślepota Lebera.

Jednym ze sposobów leczenia tego rodzaju schorzeń byłoby zastąpienie zniszczonych komórek RPE poprzez przeszczepienie zdrowych komórek. Niestety niemożliwe jest pobranie tych komórek od dawców, konieczne więc jest znalezienie innego źródła komórek do przeszczepu. Naukowcom udało się wyhodować komórki RPE zarówno z embrionalnych komórek macierzystych, jak i z komórek iPS. Bezpieczeństwo komórek RPE powstałych z embrionalnych komórek macierzystych jest obecnie testowane w badaniu klinicznym dla pacjentów z chorobą Stargardta (w języku angielskim). Planowane jest podobne badanie dla pacjentów ze zwyrodnieniem plamki żółtej.

Odbudowa uszkodzonych komórek RPE przynosi efekty jedynie u tych pacjentów, u których działa prawidłowo przynajmniej część siatkówki, i co z tym związane – przynajmniej część zdolności widzenia (tzn. we wczesnym stadium choroby). Dzieje się tak dlatego, że same komórki RPE nie są odpowiedzialne za „widzenie”, ale za wspomaganie „widzącej” siatkówki. W tego rodzaju schorzeniach wzrok zostaje utracony kiedy siatkówka ulega degeneracji na skutek niewłaściwego działania komórek RPE. Komórki RPE muszą więc zostać zastąpione w odpowiednim momencie, kiedy siatkówka jeszcze funkcjonuje. Istnieje nadzieja, że przeszczep komórek RPE na zawsze powstrzyma dalszą utratę wzroku, a w niektórych przypadkach może nawet w pewnym stopniu poprawić zdolność widzenia.

Diagram on developing eye therapies
Odbudowa komórek pigmentowanego nabłonka siatkówki: Metody hodowania komórek dla celów leczniczych są obecnie we wczesnej fazie badań klinicznych.

 

Odbudowa komórek siatkówki
Wiele chorób powoduje utratę wzroku poprzez wadliwe działanie biologicznego „przewodu elektrycznego”. Kiedy w obwodzie przestają pracować lub obumierają wyspecjalizowane komórki, powoduje to różne zaburzenia. Pomimo tego, że siatkówka jest bardziej skomplikowanym narządem niż inne elementy oka, istnieje nadzieja, że, po znalezieniu źródła komórek siatkówki, będziemy w stanie zastąpić zniszczone czy umierające komórki, odbudowując w ten sposób siatkówkę. To podejście może także pomóc w odbudowie nerwu wzrokowego.

Naukowcy ponownie zwrócili uwagę na komórki macierzyste, które mogą stanowić źródło komórek zastępczych. Wyniki kilku badań wskazują, że zarówno embrionalne komórki macierzyste, jak i komórki iPS mogą w laboratorium zmieniać się w różne rodzaje komórek siatkówki. W siatkówce znajdują się komórki Müllera, które u niektórych gatunków, takich jak danio pręgowany zachowują się jak komórki macierzyste. Istnieje hipoteza, że komórki te mogą także zachowywać się jak komórki macierzyste u ludzi – w tym przypadku mogą one stanowić źródło komórek do naprawy siatkówki.

W przeciwieństwie do przeszczepu RPE, bezpośrednia naprawa siatkówki może przywrócić do pewnego stopnia wzrok pacjentom, którzy całkowicie go utracili. Daje to nadzieję pacjentom np. w późnym stadium zwyrodnienia plamki żółtej, gdzie dochodzi do utraty fotoreceptorów. Tego rodzaju badania mogą także pomóc osobom z jaskrą czy retinopatią barwnikową. Jednak pomimo obiecujących wstępnych wyników badania te są jeszcze w powijakach. Obecnie nie jest planowane zastosowanie tej metody u pacjentów pacjentów, ponieważ konieczne jest wcześniejsze przeprowadzenie dalszych badań.

Diagram on making retinal nerve cells
Odbudowa komórek nerwowych siatkówki: Celem obecnie prowadzonych badań jest wyprodukowanie komórek nerwowych siatkówki do wykorzystania w przyszłych terapiach.

 

Komórki macierzyste maja ogromny potencjał dla poprawy jakości życia osób z zaburzeniami widzenia. Obecnie prowadzonych jest kilka badań, których celem jest opracowanie nowych terapii, a także zapobieganie utracie wzroku. Najważniejsze dla badań jest zrozumienie, w jaki sposób zachowują się różne rodzaje komórek macierzystych i jak najlepiej wykorzystać ich potencjał dla ludzkiego oka. Konieczne jest podejście dopasowane do pacjenta, w zależności od problemów, jakich pacjent doświadcza. Komórki macierzyste nie są uniwersalnym, ogólnym lekiem, jednak mają znaczny potencjał w produkcji biologicznych komponentów, które mogą być wykorzystane do „naprawy” oka.

Broszura została opracowana przez G. Astrid Limb i Silke Becker i zrecenzowana przez Pete’a Coffey’a. Fragment dotyczące odbudowy rogówki został zrecenzowany przez  Michele de Luca.

Zdjęcia rąbkowych nabłonkowych komórek macierzystych i zdjęcie ilustrujące wykorzystanie komórek embrionalnych/komórek iPS: Dr Hannah Levis i Dr Amanda Carr, odpowiednio, UCL Institute of Ophthalmology. Wszystkie inne zdjęcia pochodzą z laboratorium Astrid Limb.