Embryonala stamceller, vad är det och vad kan de användas till?

Transkript

1 Embryonala stamceller, vad är det och vad kan de användas till? Leif Carlsson docent, mikrobiolog Institutionen för molekylärbiologi Jag ska berätta om stamceller av olika typer som man kan utvinna från embryon och om vad man kan göra med dem. Jag kommer inte att spekulera så mycket om vad man skulle kunna göra, utan allt är faktiskt redan gjort. Det här är ingen science fiction eller något skräckscenario, det är vad man kan göra idag och vad man skulle kunna göra i framtiden är egentligen bara en fråga för er egen fantasi. Som ni kanske har sett har det varit mycket debatt om stamcellerna och ämnet är rätt etiskt och moraliskt känsligt. Jag vill för min del bara upplysa om vad det här gäller och vilken stor nytta stamcellerna kan medföra i framtidens medicin. I den sista delen av föredraget tar jag upp genereringen av blodstamceller från embryonala stamceller det är vad jag håller på med i min egen forskningsgrupp och vi får se hur mycket jag hinner av det. TRE TYPER AV STAMCELLER Det finns olika typer av stamceller som man kan utvinna från tidiga embryon (eller foster, beroende på hur man vill definiera dem). Det man i dagligt tal kallar stamceller från embryon är embryonala stamceller eller ES-celler. Dem kan man få från sex dagar gamla embryon, blastocyster. Jag kommer tillbaka till termerna mer i detalj senare. Det finns också embryonala germceller, dvs. embryonala könsceller, EG-celler. De kommer från 5 10 veckor gamla embryon, närmare bestämt från det som så småningom ska bli könscellerna. Sedan finns också embryonala carcinomceller, eller EC-celler, och egentligen var det med sådana man började bearbeta det här fältet. Alla de här tre celltyperna har likvärdig förmåga att bilda organ och celler, det är bara det att deras ursprung är olika. Jag ska nu försöka förklara de konstiga uttryck jag svänger mig med. Embryonala germceller är pluripotenta celler som man kan odla för evigt; evigheten kan 9

2 vi förstås inte uppleva än, men de kan faktiskt odlas länge. Att de är pluripotenta betyder bara att de kan göra många saker, dvs. bli till olika vävnader och celler både i odlingskultur och in vivo, och jag ska komma tillbaka till vad det betyder. De kommer från något som kallas primordial germ cells, dvs. celler som bildas tidigt i embryot och så småningom utvecklas till könscellerna. I mus kan man etablera embryonala germceller 8 13 dagar och i människa 5 10 veckor efter befruktningen av ett ägg. Vad är det då som de kan göra? De kan generera alla typer av vävnader och celler in vivo. De kan också generera alla typer av vävnader och celler in vitro, dvs. i kultur. Man kan i en odling gå från de här cellerna till egentligen alla typer av celler: Hjärtceller, muskelceller osv. De embryonala stamcellerna, ES-cellerna, är som sagt i stort sett identiska med de embryonala germcellerna. Den enda skillnaden är att man kan generera dem i mus fjärde dagen efter befruktningen av ett ägg och i människa sjätte dagen. Och, om igen, de kan generera alla typer av vävnader in vivo och in vitro. IN VIVO OCH IN VITRO Vad är då in vivo och in vitro? Om man tar ett obefruktat ägg och ger det en spermie så att det blir befruktat, kommer det att utvecklas genom att delas en gång, två gånger etc. och bli något som kallas en blastocyst; se figur 1. Det svartmarkerade är den del som kommer att utvecklas till en vuxen individ. Den kallas inre cellmassan och kommer att genomgå en in vivo-differentiering; det betyder att cellerna i den utvecklas till alla organ i en vuxen individ. Men det som är så bra med de här inre cellmassecellerna är att man kan ta ut dem ur blastocysten oavsett om det är mus eller människa och odla dem i kultur. Då kallas de embryonala stamceller i och med att de kommer från blastocysten. De ser kanske inte så upphetsande ut, bara celler som växer i en odlingskultur. Men när man har odlat dem färdigt kan man faktiskt stoppa tillbaka dem i en annan blastocyst som kommer från ett annat befruktat ägg och då kan de odlade cellerna följa med i differentieringen, dvs. att man kan få färdiga organ i den vuxna individen som har sitt ursprung i cellkulturen. Det här är hela grunden för den moderna biologin, det faktum att man kan genetiskt modifiera de här cellerna och sedan stoppa tillbaka dem. Därmed kan man få en mus med i stort sett vilken mutation som helst utifrån de celler man har odlat. Det var det jag menade med att ES-cellerna kan differentiera in vivo 10

3 Figur 1. Embryonala stamceller utvinns ur ett befruktat ägg som får utvecklas till blastocyststadiet. till vilka organ som helst. De är funktionellt utbytbara, så även EG-celler och EC-celler kan stoppas in så här och differentiera till organ i den här vuxna individen. Minst lika viktigt och något som jag själv tyckte var imponerande med de här cellerna när jag ville lära mig hur de fungerade är att om man tar bort en viss faktor, leukemia inhibitor factor ( LIF i figur 1), kommer de här cellerna att differentiera in vitro, alltså i cellkultur, och där börja bilda olika typer av celler. Vi kallar dem embryoida kroppar därför att de inte är embryon, utan embryolika, och från de här kropparna kan man isolera och ta ut olika typer av celler in vitro, alltså i provrör. På samma sätt kan också framför allt EG-celler gå den här vägen och differentiera in vitro. EC-celler är lite värre, men både EG- och ES-celler 11

4 eller stamceller kan gå den lodräta vägen som visas på figur 1. I det fallet bildas blodceller. FRÅN EMBRYO ELLER FOSTER? Det som skiljer ES-celler och EG-celler är när man isolerar dem. Motsvarande gäller också för människa: Tidigt, dag 4 efter befruktningen, kan man isolera ESceller och senare EG-celler. De är funktionellt likvärdiga stamceller, egentligen ligger skillnaden bara i från vilket stadium man tar dem. I och med att man isolerar dem från olika skeden under embryoutvecklingen blir emellertid innebörden helt olika i de fall man ska ta dem från människa: För att kunna ta EGceller tvingas man använda aborterade foster i och med att könscellerna bildas så sent. Anledningen till att jag här tar upp EG-celler över huvud taget är att i de första publikationer (1998) där någon redovisade att man har gjort humana stamceller var det så man hade arbetat, alltså utifrån aborterade foster. ES-celler behöver inte utvinnas från foster, utan man kan ta dem från befruktade ägg på IVF-kliniken (IVF = in vitro-fertilisering, dvs. konstgjord befruktning). För att få ES-celler kan man där använda ett ägg och en spermie från barnlösa föräldrar. Spermien kan befrukta ägget i en cellodlingsskål, och allt det som visades överst på figur 1 kan faktiskt göras i cellkultur. Embryonala stamceller tillverkas genom att man tar överblivna ägg från IVF-kliniker, gör befruktningsprocessen i kultur, plockar ut inre cellmassan och börjar odla enligt figur 2. Vad jag har förstått tar man i Sverige de embryon som inte passar för att sättas tillbaka in i livmodern på mamman; de är med andra ord överblivna och ska ändå kastas. ATT ODLA ORGAN Vad vill man då använda ES-celler till? Ja, man kan som sagt differentiera dem in vivo och in vitro, se figur 1. Naturligtvis är in vivo-differentiering för människa ingenting värt att tala om: Det kan och får vi inte göra och jag tycker inte att det finns något biologiskt intresse av genetiskt modifierade människor. Men i möss eller andra försöksdjur är det en viktig metod för att förstå biologiska processer. Om man däremot skulle använda människostamceller är det naturligtvis teoretiskt möjligt att differentiera dem in vitro och det är ju en teknik som passar in i temat reservdelsmänniskan. 12

5 Vid transplantationer, teoretiskt sett igen, skulle man kunna tänka sig att ersätta egentligen vad som helst med embryonala stamceller, i och med att de kan bilda alla typer av organ och celler. För min del tycker jag att det som är det mest intressanta och som jag fortfarande kan sitta och bara titta på därför att det är så läckert är embryoutvecklingen i ett provrör... I debatten har man ibland sagt att man vill använda vuxna stamceller för att inte hamna i den etisk-moraliska debatten om embryonala stamceller. Det är bara det att det som embryonala stamceller kan göra i kultur kan ingen vuxen stamcell göra...ännu, ska jag väl kanske tillägga. Vuxna celler kommer inte ens i närheten av de embryonala stamcellernas potential. Nu kommer jag tillbaka till vad man de facto redan har gjort. De här typerna av organ och celler har man bildat i kultur hittills från embryonala stamceller: Man Figur 2. Odling av embryonala stamceller, tidsskala t.h. 13

6 har utvecklat blodceller, både vita och röda blodkroppar. Det är också egentligen det enda som man helt tydligt har tagit fram med stamceller från människa. Man har också, och det är det som vi arbetar med här i Umeå, gjort blodstamceller från embryonala stamceller, dvs. de stamceller som normalt gör de vita och röda blodkropparna i en vuxen individ. Man har vidare gjort blodkärl, hjärtmuskelceller och jag ska snart visa hur det ser ut på video. Vidare har man gjort skelettmuskelceller, som skiljer sig från hjärtmuskelceller i och med att de senare pulserar kontinuerligt, och även hudceller. Nervceller har man dessutom fått fram och även deras stödjevävnad och det är viktigt vid t.ex. MS där det är stödjevävnaden som bryts ned. Nervcellerna själva är viktiga vid Parkinsons sjukdom, Alzheimers sjukdom m.m. Man har t.o.m. lyckats få till vad som ser ut som en neuromuskulär koppling i en synaps, alltså kopplingen mellan en nerv och en muskel. Det tror man egentligen måste vara en ofantlig organisation, men även här har man lyckats gå ifrån de till synes rätt trista cellodlingarna till en fungerande koppling. Alldeles nyligen, i våras, publicerades en artikel om att man har lyckats göra insulinproducerande celler Figur 3. Jämförelse mellan embroid kropp och embryo. 14

7 som liknar de Langerhanska öarna i bukspottkörteln, dvs. de som går sönder vid typ 1-diabetes. Det är naturligtvis viktigt för diabetesforskningen, Nu ska jag visa hur man har gjort efter att man har gått från en embryonal stamcell till en embryoid kropp. Om man låter den här kroppen utvecklas under förhållanden som gynnar blodcellsbildning fylls den av blodceller, som på figur 3. Ofta är de ihåliga och den börjar ju bli lite mörk inuti. Och låter man utvecklingen gå vidare läcker det ut och sedan har man fullt med blod runt den. Det här är en rätt grov metod för att göra det, men ändå rätt illustrativt. På den videofilm jag nu visar har vi odlat på ett annat sätt för att få stamcellerna att gå mot hjärtmuskelceller. Vi kan se en ansamling av hjärtmuskelceller som slår i takt. Från de tråkiga embryonala stamcellerna har man gått via en differentiering in vitro helt i kultur och utanför kroppen fått det här. Vi har sett mycket mer än så, ibland rena under. Vi vet ju inte riktigt vad som styr det här, men i andra fall kan man t.o.m. se nerver börja växa ut. Det här tycker jag är imponerande, för mig är det rena action-filmen. Det är ju en sak att göra saker in vitro, men man har faktiskt också redan börjat lyckas med transplantationer. Det är naturligtvis bara gjort i försöksdjur, bl.a. har man transplanterat in hjärtmuskelcellerna i ett hjärta på en vuxen individ. De har då helt inkorporerats i mottagarens hjärta och man kan inte skilja dessa celler ifrån de kroppsegna: De slår i takt och reparerar den skada som fanns där från början. På motsvarande sätt har man gjort med nervceller som genererats in vitro: Sprutat in dem i ett tidigt embryo och sett att de nya nervcellerna följer precis den utveckling som sker i ett normalt embryo, inkorporeras i en normal hjärna och finns med i den vuxna individen. Man har också lyckats transplantera in nervstödjevävnader, oligodendrocyter, i en musmodell med defekt myelinbildning alltså den isolering som ligger runt nerverna och lyckats vända på den sjukdom som fanns. På samma sätt har man lyckats transplantera vid ryggmärgsskador, och det är viktigt för om ryggmärgen går av blir man ju förlamad. Genom att kunna återskapa både nerver och nervstödjevävnad skulle man ju kunna få tillbaka funktionen, och det här har man alltså redan gjort i försöksdjur. För att sätta det här i tidsperspektiv vill jag visa en jämförelse, figur 3: Om man jämför med ett normalt embryo skulle då en ES-cell som har utvecklats 5 dagar motsvara ett 9 dagars embryo, t.h. Som ni ser så är det en rätt stor skillnad, men allt som finns i embryot finns också i ES-cellen. Det gäller bara att lära sig förstå hur man ska styra det och sedan använda det kliniskt. 15

8 TERAPEUTISK KLONING På senare tid har uttrycket terapeutisk kloning dykt upp. Även det har man redan gjort i försöksdjur och sett att det fungerar. Tanken med terapeutisk kloning är att göra stamceller som är identiska med en given individ. Vad man i princip gör är att ta en cell, teoretiskt sett vilken som helst, från en vuxen individ. Man tar ut cellkärnan, sätter in den i ett ägg (det behöver inte ens vara befruktat) från vilket man tar bort kärnan, sätter in den nya istället och får ett ägg med en kärna från en vuxen individ, se figur 4. Sedan kan man aktivera hela processen tills man kommer till blastocyststadiet och då på ett relativt enkelt sätt göra ES-celler och bilda organ, jfr figur 1. Därmed blir de här nybildade organen helt identiska med den ursprungliga individen. Det är det här som kallas terapeutisk kloning och Figur 4. Principen för terapeutisk kloning. 16

9 som man anser kommer att betyda mycket. Jag tror dock för min del att användningen säkert kommer att dröja år. Det vi själva gör är att försöka odla blodstamceller, dvs. de som ger upphov till alla celler som vi har i blodet; det består till 50 % av celler. Blod bildas i oss från tredje graviditetsveckan fram till i stort sett när vi dör, och det är en viktig process därför att blodet har livsviktiga funktioner. Konceptet blodstamceller har varit accepterat i 50 år, och vi har kunnat isolera dem och studera dem sedan mitten av 1980-talet, men med problemet är att vi ännu inte har en aning om hur de förnyar sig själva. Det är det som vi är intresserade av, det faktum att de inte går att expandera i kultur. Blodstamcellerna används ju idag, det har nästan blivit klinisk praxis vid benmärgstransplantationer det är just blodstamceller man transplanterar då. Vad vi ville göra var att på något sätt få fram blodstamceller som kan förnyas i kultur och som vi kan studera där. Vad vi gjorde var att genetiskt manipulera de embryonala stamcellerna, gå den här in vitro-differentieringsvägen som på figur 1, och det visade sig att vi kunde isolera en cell som beter sig precis som en normal blodstamcell. De här blodstamcellsliknande cellerna kan vi odla upp i cellkulturer i stora kvantiteter, och vi har därmed ett system för att direkt kunna studera blodstamceller på molekylär nivå. Resultaten från dessa studier skulle kunna leda till att vi i framtiden kan mångfaldiga normala blodstamceller för att kunna upp en blodstamcellsbank, dvs. en outtömlig källa för blodstamceller som kan användas vid benmärgstransplantationer. SVERKER OLOFSSON: Det är ju fruktansvärt intressant att höra på detta, och hela tiden kan jag tänka mig att jag inte är ensam om att sitta och fundera på att det handlar om både känslor och etik och en massa sådant. Jag tänkte, och du kanske tycker att det är en väldigt konstig fråga: Kan man bygga ett helt organ med det som du pratar om? Enkelt uttryckt, skulle man kunna bygga ett hjärta? LEIF CARLSSON: Ja, det tror jag absolut. Men jag tycker att det framför allt måste bygga på att man har en bra grundforskning, det är det viktiga. Men svaret beror också på vad du menar med ett organ. I blodet är ju blodstamcellerna själva organet, så i det fallet kan vi ju redan göra det, men jag tror också att man skulle kunna bygga hjärta, njurar, lever osv. SVERKER OLOFSSON: I det här paketet ligger ju hela tiden de etiska funderingarna jag antar att en del säger tveksamheterna och andra störningarna. Man skulle ju kunna komma runt en del etiska frågor om man kunde bygga organ. 17

10 För etik handlar också om hur mycket man har rätt att ta från en annans kropp. LEIF CARLSSON: Jo, men jag tycker att den etiska debatten när det gäller embryon har låst sig därför att vissa tycker att ett befruktat ägg är en individ, punkt slut, och det för inte debatten framåt. SVERKER OLOFSSON: Vad tycker du? LEIF CARLSSON: Jag tycker att som man gör det nu är det helt okej, därför att på IVF-kliniken slänger man ändå de överblivna äggen och det tycker jag inte är bra. Varför ska man slänga dem när man kan använda dem? Jag ser inte att det skulle vara mer etiskt försvarbart än att använda dem för forskning. SVERKER OLOFSSON: För dig är det inte ens ett etiskt problem? LEIF CARLSSON: Nej. SVERKER OLOFSSON: Jag måste fråga en sak, bara för att förstå det: Vid en olycka, ja, även vid operationer vet jag av erfarenhet, kan ju en nerv bara gå av och då har man inte den funktionen kvar. Kan man limma ihop det här, tror du? Alltså med den forskning du håller på med, sätta ihop några nervtrådar igen och så funkar det? LEIF CARLSSON: De djurförsök som jag visat på här tyder ju på att man skulle kunna göra det. Och det är ju bara initiala försök, det finns en enda publikation än så länge och den kom för något år sedan. Nu hade jag inte tid att gå igenom historiken, men egentligen bygger allt här som jag har berättat om på en upptäckt som man gjorde 1985 och det tror jag berodde på att man inte visste hur man skulle odla de här cellerna och plötsligt såg man att det började bildas blod och hjärtmuskler! Oj, vad är det som händer? SVERKER OLOFSSON: Jag anar ju vad du säger, när du pratar om vilka möjligheter du ser... De är ju obegränsade förstås? LEIF CARLSSON: Ja. SVERKER OLOFSSON: Samtidigt hör vi hur du ser på de etiska frågorna, på dig låter det som om bara etiken inte lägger hinder i vägen kommer man att kunna göra nästan vad som helst. LEIF CARLSSON: Jag tycker i och för sig att det ska vara en helt öppen debatt. Jag tycker att om de här statliga organen sticker huvudet i sanden och säger att vi förbjuder allt stöd till forskning om det här, men privata företag får göra det. Det är fullständigt förkastligt för då tappar vi helt kontrollen. 18