STEM CELLS UPDATE. från grundforskning till klinik

Transkript

1 STEM CELLS UPDATE från grundforskning till klinik En populärvetenskaplig dokumentation av Vetenskapsrådet och Uppsala universitets konferens om stamceller, Uppsala 5-6 oktober 2011

2 Förord I augusti 2006 gav regeringen Vetenskapsrådet i uppdrag att inhämta kunskaper och analysera utvecklingen inom stamcellsområdet samt att ge information och stöd till forskare och allmänhet. Det övergripande målet med det arbete som Vetenskapsrådet bedrivit inom ramen för uppdraget har varit att utforma aktiviteter som syftar till att skapa ett bra forskningsklimat i Sverige inom stamcellsområdet. Med allmänheten som målgrupp och i syfte att skapa förståelse för forskningen och främja dialog och diskussion publicerades 2009 en tidning om stamceller, Forskning & Stamceller, som lyfte fram svensk stamcellsforskning inriktad på sjukdomar. På webbplatsen finns olika medicinska teman beskrivna och ett nytt tema om stamceller skapades. Till detta kopplades ett interaktivt kunskapstest med frågor rörande stamcellsforskning. Vetenskapsrådet har också vid ett flertal tillfällen engagerat stamcellsforskare som deltagit med föredrag och debattinlägg i evenemang som Bok & Biblioteksmässan och Forskarfredag. Med inriktning på forskare har Vetenskapsrådet arbetat med dels riktad information till de forskare som arbetar med att ta fram nya humana embryonala stamcellslinjer och dels genom den finansiering till karakterisering av humana stamceller som gjorts inom ämnesrådets budget. Genom medlemskap i International Stem Cell Forum (ISCF) har Vetenskapsrådet också finansierat svenskt deltagandet i det internationella initiativet för standardisering av humana embryonala stamcellslinjer. ISCF utgörs av mer än 20 finansiärer från 19 länder runtom i världen. Vetenskapsrådet är medlem sedan starten Organisationens syfte är att främja internationellt samarbete och finansiering av stamcellsforskning. ISCF håller möten vartannat år och 2011 ägde detta möte rum i Uppsala i anslutning till konferensen Stem Cells Update, med Vetenskapsrådet som värd. Som avslutning på regeringsuppdraget från 2006 anordnade Vetenskapsrådet och Uppsala Universitet gemensamt den vetenskapliga konferensen Stem Cells Update 2011 från grundforskning till klinik. Konferensen hölls på Uppsala Konsert och Kongress och samlade mer än 200 deltagare från 16 länder. På två dagar belystes de senaste tio årens framsteg inom stamcellsforskningen genom föreläsningar och posterpresentationer. Responsen från deltagarna var mycket positiv och många lyfte fram det faktum att vi samlat så många ledande forskare under samma tak. Det möjliggjorde ett helikopterperspektiv ur vilket vi kunnat föra vidare resonemang kring hur forskningsresultat kan implementeras för ökad samhällsnytta. Utöver vetenskapliga presentationer anordnades också ett populärvetenskapligt science café där allmänheten fick möjlighet att ställa frågor och diskutera med stamcellsforskare. Vi räknade in närmare 150 gäster. Caféet blev en mötesplats där forskare, studenter, pensionärer och en nyfiken allmänhet kunde samtala, precis som jag hoppats på. Avslutningsvis hölls en paneldiskussion om stamcellsforskningens framtid. Paneldeltagarna framhöll hur forskningsfältet mognat under de senaste tio åren. Man kan säga att stamcellsforskningen gått från specialområde till att vara en integrerad del i all medicinsk forskning 2 Karin Forsberg Nilsson, professor i Stamcellsforskning, Uppsala Universitet Ordförande i organisationskommittén för Stem Cells Update 2011 och svensk delegat i Intenational Stem Cell Forum Foto: Staffan Claesson

3 Inledning Stamceller är spännande av två anledningar. För det första kan de hjälpa oss att besvara en av biologins mest fascinerande grundläggande frågor: hur ett enda obefruktat ägg kan ge upphov till en fungerande kropp med hundratals olika celltyper. En stamcell har nämligen kommit en bit, men inte hela vägen fram, i denna specialiseringsprocess. Genom att studera olika stamceller, och hur de kan förmås att utvecklas åt olika håll, kan man därför lära sig mycket om hur det normalt går till när våra celler specialiserar sig. För det andra reser stamceller hopp om nya möjligheter att behandla och bota olika skador och sjukdomar. Till en början förhoppningen att man skulle få stamcellerna att utvecklas till nya celler, som helt enkelt kunde ersätta gamla celler som av olika skäl dött eller slutat fungera. Allt eftersom man undersökt saken har man dock upptäckt att stamceller som förs in vid en skada i första hand gör nytta genom att signalera till kroppens egna celler att själva dela sig och läka skadan. Flera olika sorters stamceller används av forskarna, både för att studera grundläggande biologiska frågor och för att utveckla nya behandlingar: Vuxna stamceller har alla människor naturligt i kroppen, för att ersätta de celler som slits ut och dör. Vi har stamceller i huden, i hjärnan, i slemhinnor, osv. Särskilt intressanta anses de så kallade mesenkymala stamcellerna vara, som bildar ben och brosk. De finns i benmärgen, och är jämfört med många andra vuxna stamceller relativt enkla att ta ut ur kroppen och fås att föröka sig i cellodlingsburkar. De delar sig dock bara ett begränsat antal gånger, och kan bara bilda några få av alla de olika celltyper, som skulle kunna vara intressanta för olika behandlingar. Därför blev intresset mycket stort när forskare för tretton år sedan första gången rapporterade att de hade lyckats skapa embryonala stamceller från människor. Det är celler, som tas från det inre av ett tidigt embryo, och har förmågan både att dela sig ett obegränsat antal gånger, och att utvecklas till alla de olika celltyper som finns i en människa. Från sådana skulle man därför enkelt kunna odla fram många olika slags celler för olika behandlingar. Ett problem är dock att sådana celler är lika främmande för patienten som celler från en slumpvis vald annan människa, och därför kan avstötas. Upphetsningen blev därför stor bland forskare då man för ett par år sedan lärde sig att få vanliga hudceller från en människas kropp att avspecialisera sig, och bilda cellodlingar som mycket påminner om embryonala stamceller. Inducerade pluripotenta stamceller har de döpts till. Många forskare hoppas att sådana celler med tiden ska kunna göra det möjligt att skapa terapier med stamceller, som inte riskerar att avstötas. Många frågor återstår dock att besvara innan vi vet om detta kan bli möjligt. Denna konferens har speglat bredden i dagens stamcellsforskning. De forskare som föreläst har presenterat arbeten med såväl vuxna som embryonala och inducerade pluripotenta stamceller. Några har försökt besvara mycket grundläggande biologiska frågor, andra undersökningar har syftat mot nya behandlingar av allt från diabetes över Parkinson och stroke till sjukdomen GvHD, där kroppen angrips av sitt nya immunförsvar efter en benmärgstransplantation. 3 Samtliga texter skrivna av Henrik Brändén, vetenskapsskribent De åsikter som framförs i dokumentationen delas inte nödvändigtvis av Vetenskapsrådet och Uppsala universitet.

4 Vad hårsäckar kan lära oss om stamceller Elaine Fuchs, Howard Huges Medical Institute, Rockefeller University, New York, USA Elaine Fuchs i New York undersöker i detalj vad som händer när våra hårstrån bildas och ramlar av. Men hennes huvudsyfte är inte att bota flintskallighet. Hon studerar istället de små hårsäckar, där hårstrån bildas, för att förstå hur stamceller i största allmänhet fungerar. Runt om i människokroppen finns olika slags stamceller som behövs för att ersätta andra celler som blir utslitna eller dör. Och för att reparera skador som uppkommer: De finns i våra slemhinnor, muskler, huden och i hjärnan, och på många andra ställen. De är alldeles nödvändiga för att vi ska kunna överleva. Men de är mycket svåra att studera på plats inne i våra olika organ, för där är de ofta uppblandade med många andra celler. Ett undantag från detta är dock de stamceller, som finns i var och en av de hårsäckar (hårfolliklar), som varje hårstrå utgår från. Det är tunna fördjupningar in i huden, i vars botten celler delar sig, slår in sig i det hårda proteinet keratin, dör och knuffas uppåt så de döda keratinklädda cellerna bildar ett växande hårstrå. I kanten av dessa hårsäckar finns en grupp stamceller. När ett gammalt hårstrå fallit av och det är dags att bilda ett nytt, börjar dessa dela sig. De vandrar samtidigt ner mot botten av säcken, och delar sig allt snabbare ju längre ner de kommer. Samtidigt blir de allt mindre stamcelliga. Längst ner har de helt förvandlats från stamceller till hårbildande celler. Till skillnad från andra stamceller i en vuxen kropp är dessa lätta att komma åt och studera, och genom att titta närmare på dem har Elaine och hennes medarbetare under det senaste året kunnat lära sig tre nya saker som gör att man begriper lite mer än förut om hur stamceller i största allmänhet uppför sig. För det första har de upptäckt att de celler som stamcellerna bildar kan hålla tillbaka stamcellernas celldelning. Därigenom stryper cellerna alltså bildningen av fler av sin egen sort. Det är första gången en sådan så kallad feed back-reglering beskrivs hos stamceller hos vuxna människor. Elaine menar att sådana kan vara viktiga för att många olika stamceller bara ska dela sig lagom mycket så att exempelvis celler ska sluta dela sig då ett sår läkt färdigt. För det andra har man tidigare trott att stamceller använder en och samma mekanism för att hålla tillbaka celldelning och fortsatt specialisering. Så att en stamcell samtidigt som den börjar specialisera sig också börjar dela sig. Men hos stamcellerna i hårfolliklar har Elaine nu upptäckt att det finns separata system för att avgöra de två sakerna. Så att cellen inte måste börja göra det ena bara för att den gör det andra. Elaines tredje upptäckt handlar om de cancerstamceller, som man under senare år förstått finns i de flesta elakartade tumörer, och gör så att tumören snabbt kan blossa upp även om det sett ut som om man fått bort den nästan helt med operation och cellgifter. Tidigare har man trott att dessa cancerstamceller varit rätt lika både varandra och andra stamceller i en vuxen kropp. Men nu har Elaine undersökt vilka gener som används både i sina normala stamceller, och i cancerstamceller från en rad olika tumörer från olika slags hud- och slemhinneceller. Det visar sig då att de olika cancerstamcellernas användning av olika gener skiljer sig rejält, både från de normala vuxna stamcellerna, och från varandra. 4 Foto: Staffan Claesson

5 Att filma hur stamceller och metastaser konkurrerar i benmärgen Dorothy Sipkins, University of Chicago Medical Center, USA Genom att sätta en levande mus under en kamera har Dorothy Sipkins i Chicago kunnat filma hur stamceller och tumörceller tävlar med varandra om utrymmet i små håligheter i skallbenets märg. I små hålrum i benmärgen bor de stamceller, som bildar nya röda och vita blodkroppar. De är få, delar sig rätt sällan, men de celler som då bildas fortsätter dela sig i allt snabbare takt, så att stora mängder nya blodceller bildas varje dag. Dessa små hålrum har emellertid också visat sig vara attraktiva platser för många olika slags cancerceller att vandra till och bilda metastaser. Inte sällan bildas då en första metastas i benmärgen, som sedan ger upphov till fler och fler ytterligare metastaser. Dorothy Sipkins har därför intresserat sig för frågan hur cancercellerna hittar fram till dessa boplatser, och hur de sedan interagerar med de stamceller de möter där. För att göra detta har hon utvecklat en metod att filma cellernas vandringar inne i benmärgen hos en levande mus. Hon har då märkt in de celler hon vill studera, så att de är självlysande i olika färger. Sedan riktar hon ett mikroskop med filmkamera mot musens skallben, som är så tunt, att ljuset från de självlysande cellerna tränger genom benet, och fastnar i filmkameran. Genom att få olika celler att lysa i olika färger kan hon sedan i detalj studera vad som sker inne i benmärgen. I en första undersökning såg Dorothy att det bara tog minuter från det att man i musen sprutade in cancerceller (från en slags blodcancer, som kallas ALL) tills de hade klättrat in i just de platser i benmärgen, där blodbildande stamceller normalt håller till. Efter några dagar hade cancercellerna delat sig på just de platserna, och blivit mycket fler än tidigare. På just de ställen, dit cancercellerna vandrar, har hon dessutom upptäckt att det bildas ett speciellt signalämne, som lockar till sig cancercellerna. När hon tillsatte ämnen som hindrade cancercellerna från att binda till detta signalämne klarade cancercellerna inte längre av att leta sig till rätt plats. Ämnen som hindrar cancercellerna från att binda denna signal skulle alltså möjligen kunna utvecklas till läkemedel, som hejdar eller motverkar metastaser i benmärgen. I en alldeles ny undersökning har Dorothy dessutom hittat ett protein, som normalt hjälper stamcellerna att vandra genom benmärgen. När hon tittar på tumörer som växer och tränger sig genom tunnlar i benmärgen ser hon att detta protein finns på tumörens utkant. På något sätt verkar detta protein hålla tillbaka tumörcellernas delning, för om hon blockerar proteinets arbete börjar allt fler tumörceller dela sig allt snabbare. Detta, säger Dorothy, skulle möjligen kunna utnyttjas för att manipulera cellerna i en tumör: Cellgifter slår ju bara mot celler som aktivt delar sig, så om man skulle kunna tvinga in huvuddelen av cellerna i en tumör till aktiv celldelning skulle kemoterapi kanske kunna göras mycket effektivare. Och finns ingen effektiv cellgiftsbehandling skulle man kanske istället kunna utnyttja detta signalsystem till att hindra tumörceller från att dela sig. 5 Foto: Staffan Claesson

6 Testa läkemedel på hjärtmuskelceller från stamceller Christine Mummery, Leiden Universiy Medical Centre, Nederländerna Forskare kan nu få embryonala och andra ospecialiserade stamceller att bilda nya hjärtmuskelceller. Men det kommer att dröja länge innan dessa kan användas till att reparera skadade hjärtan efter en infarkt, berättar Christine Mummery. Däremot har de redan börjat användas för att testa olika läkemedels effekter på hjärtceller. Rent tekniskt har man kommit långt när det gäller att få embryonala stamceller att utvecklas till hjärtmuskelceller. Man kan på tre dygn få stamcellerna att bilda klumpar av hjärtmuskelceller, som rytmiskt drar ihop sig och slappnar av, dvs slår. Man kan också få cellerna att växa ut över ett platt material, som böjer sig då muskelcellerna koordinerat drar ihop sig. Samma saker har man kunnat göra från de nyare så kallade inducerade pluripotenta stamcellerna, som kan odlas fram från en människas hud. När forskare fört in framodlade förstadier till hjärtmuskelceller till skadade hjärtan hos möss visar det sig att en del av cellerna slår sig ner i hjärtat, men att de inte bildar muskler, där cellerna är organiserade som de ska. Mössen får en viss, fast bara tillfällig, förbättring av hjärtats funktion. Men den beror inte på att de nya cellerna direkt ersätter sådana som dött, utan på att de bildar signalämnen, som får mössen att bilda fler nya blodådror, vilket minskat skadorna. Det är därför inte uteslutet, förklarar Christine, att man i framtiden skulle kunna reparera hjärtan efter infarkter med hjälp av embryonala eller inducerade stamceller. Men det är i så fall på mycket lång sikt. Däremot kan man redan nu börja använda hjärtmuskelceller från stamceller till att testa tänkbara läkemedel. Många läkemedel påverkar nämligen de elektriska impulser som går mellan muskelcellerna, och hjälper hjärtat att reglera sin rytm. Närmare bestämt påverkar de en för hjärtats funktion kritisk elektrisk egenskap som kallas QT-intervall. Normalt testar man nya läkemedel på cancerceller, hjärtmuskelceller från hundar och slutligen på hela möss eller marsvin, innan man börjar testa dem på människor. Cancerceller har dock inget QT-intervall, och skillnader mellan olika arter gör det svårt att veta vad resultat på hundceller eller möss betyder för människor. Om man låter mänskliga embryonala stamceller bilda en liten klump av hjärtmuskelceller, som börjar slå av sig själv, kan man montera elektroder till denna klump, och mäta en motsvarighet till detta QT-intervall. Och sedan billigt och enkelt studera hur detta intervall hos människa påverkas av olika läkemedel i olika koncentrationer. För att undersöka om detta verkligen fungerar undersökte Christine och hennes medarbetare ett stort antal läkemedel, både sådana som fungerat bra på människor, och sådana som fått dras tillbaka efter tester på människor. Det visade sig att testerna på framodlade hjärtmuskelceller var mycket bättre än tester på försöksdjur för att förutsäga vilka läkemedel som var farliga för människor. Med denna metod, menar Christine, kan man inte bara peka ut vilka läkemedel som kan vara farliga. Man kan också ta reda på vilka kombinationer av läkemedel som kan vara farliga, och vilka kombinationer av genvarianter och läkemedel som innebär speciella risker. 6

7 Stamceller förändras när de odlas! Peter Andrews, University of Sheffield, UK När forskare låter embryonala stamceller växa och dela sig i näringslösning gång efter gång förändras de. Peter Andrews har visat att olika stamcellsodlingar ofta samlar på sig liknande genförändringar, som kan öka risken för att celler utvecklas till tumörer. Stamceller som odlats länge dör inte lika lätt som yngre stamceller. Och de har andra mönster för hur de vandrar omkring i cellodlingsskålarna. En fråga som diskuterats mycket är om terapier med embryonala stamceller kan orsaka cancer. Kan det vara så att de embryonala stamcellerna under själva odlingen samlar på sig genförändringar, som kan öka risken för att de utvecklas till cancerceller? Tanken är inte orimlig, eftersom cancer orsakas av mutationer som får celler att dela sig oftare och dö mer sällan. Får en stamcell i en odling en sådan mutation är det troligt att dess avkommor efter en tid tagit över i odlingen. Stamceller som odlas kan alltså misstänkas samla på sig mutationer, som kan bidra till cancer. En av de forskare som undersöker denna fråga är Peter Andrews. När man odlar embryonala stamceller, påpekar han, dör de allra flesta av cellerna bara en mindre andel lever vidare och delar sig. Det innebär att det finns en stark selektion under odlingen för celler som överlever, och delar sig ofta. Embryonala stamceller som odlats en tid anpassar sig därför efter ett liv i näringslösningar, och skiljer sig på flera sätt från yngre celler, som inte odlats lika länge. Peter har lyckats få tag på 127 olika embryonala stamcellslinjer från olika embryon, och sett vad som händer när dessa odlats en tid. Han har alltså jämfört celler som bara genomgått ett fåtal celldelningar, med sådana som genomgått många. Hos 24 av dessa 127 odlingar visade det sig att celler som odlats en tid hade fått storskaliga kromosomförändringar. Framför allt var det frågan om att stora delar av kromosomer dubblerats. Främst gällde det bitar av fyra kromosomer: 12, 17, 20 och x. Hos en av kromosomerna gick det dessutom att se att det var en och samma region, som var dubblerad i flera av stamcellsodlingarna. Peter misstänker därför att där finns en gen, som gör det lättare för stamcellerna att dela sig, eller svårare för dem att dö. När Peter placerar cellerna i en odlingsflaska ser han vidare att de unga cellerna dör betydligt oftare än de celler, som fått odlas en tid. Medan mer än hälften av de unga cellerna dött efter 12 timmar överlever 85% av dem som odlats en längre tid. De unga cellerna börjar också dela sig snabbare än de äldre, men i många fall dör sedan bägge de celler som bildats strax efter celldelningen. Att bara den ena av de två celler som bildats dör är betydligt sällsyntare. Därtill har Peter sett att de yngre och äldre embryonala stamcellers rörelser följer olika mönster. Både yngre och äldre stamceller börjar med att röra sig fram och åter och ofta slumpvis byta riktning. Men medan yngre stamceller snabbt övergår till att röra sig i en bestämd riktning, fortsätter de äldre stamcellerna mycket längre att röra sig slumpmässigt hit och dit. Det är, sammanfattar Peter, oundvikligt att embryonala stamceller som odlas tillräckligt länge samlar på sig genetiska förändringar. Antagligen samlar de också på sig förändringar i den så kallade epigenetiska programmering, som påverkar vilka gener som ska användas, och hur mycket. Denna anpassning till ett liv i cellodlingar skapar, påpekar han, inte bara möjliga problem för stamcellsterapier. Lär vi oss förstå vad som sker skapar det också möjligheter att styra och kontrollera vilken slags celler man ska få ut från odlingarna. 7

8 Mot terapier med embryonala stamceller Outi Hovatta, Karolinska Institutet, Sverige Det är mer än tio år sedan det första gången rapporterades att man skapat embryonala stamceller från människa. Sedan dess har ett intensivt arbete pågått för att förbättra metoderna att plocka fram och odla dessa celler, så att de ska kunna vara säkra att använda i patienter. Outi Hovatta pekade i sitt föredrag ut några viktiga sådana tekniska framsteg. Ett krav för att man ska kunna transplantera celler man odlat från embryonala stamceller till patienter är att cellerna ska vara rena: Det ska inte finnas risk att de innehåller virus eller andra mikrober. Där ska inte finnas några andra celler än dem man vill ha. Och där ska inte finnas några proteiner eller andra ämnen från främmande arter, som skulle kunna reta immunförsvaret hos den som får en transplantation. Outi Hovatta pekade på en rad framsteg under de senaste åren, som gör att man idag kan uppfylla dessa krav. Tidigare behövde embryonala stamceller från människa för att klara av att växa och dela sig leva tillsammans med bindvävsceller från möss och blodvätska från nyfödda kalvar. Men numera kan man odla stamcellerna i rena näringslösningar, som bereds enligt exakta recept från renframställda kemikalier. Ett viktigt steg var upptäckten att om man fäster proteiner som heter lamininer i botten på cellodlingsskålarna, så försvinner behovet av bindvävsceller från möss eller människor. Dessutom leder detta till att cellerna inte längre bildar hårda klumpar i odlingarna, utan lägger sig en och en bredvid varandra. Därmed behöver man inte använda så mycket våld mot cellerna när man ska späda dem för att få dem att föröka sig vidare. Vilket gör att fler celler överlever detta steg, och att odlingen går mycket snabbare. Andra krav är att teknikerna ska gå att använda i stor skala för att få stora mängder celler. Och att de ska kunna tillverkas enligt de regelverk som gäller för säkerhet kring läkemedel för människor. Även de tekniska problemen är enligt Outi nu under kontroll. Ett viktigt frågetecken kring terapier med embryonala stamceller är risken för att cellerna ska avstötas. Ett möjligt sätt att hantera detta är att precis som vid andra transplantationer behandla med läkemedel som trycker ner immunförsvaret (immunosuppressiva medel). Ett annat är att skapa en panel med olika stamcellslinjer med olika kombinationer av transplantationsantigener, så att alla patienter kan få celler med någorlunda god matchning. Ett tredje sätt att undvika avstötning skulle kunna vara att istället för embryonala stamceller använda celler man tagit direkt från patienten, och avprogrammerat, så att de gått tillbaka till att bli ospecialiserade celler, som på många sätt påminner om embryonala stamceller (inducerade pluripotenta stamceller, kallas de.) Outi varnade dock för att de inte är exakt likadana som embryonala stamceller, och att mycket återstår att undersöka innan vi vet om de skulle fungera lika bra som dem. Därtill har det nyligen kommit förbryllande rapporter som tyder på att dessa celler kan reta immunförsvaret ordentligt även hos den individ de utvunnits från. En mycket omdiskuterad fråga är risken att terapier med embryonala stamceller kan leda till tumörer. Två tänkbara risker finns: För det första har ospecialiserade stamceller en naturlig tendens att fortsätta dela sig och bilda så kallade teratom, som är godartade tumörer med en mosaik av olika slags specialiserade celler. För att undvika sådana gäller det att inte transplantera själva de ospecialiserade stamcellerna, utan hel- eller halvspecialiserade celler, som man odlat fram från stamcellerna. Och att ha effektiva metoder för att sortera bort alla kvarvarande ospecialiserade celler innan de ges till patienten. För det andra kan stamcellerna råka ut för genförändringar medan de odlas, och om en sådan förändring ökar cellens förmåga att dela sig snabbt, eller minskar dess tendens att dö, så kommer celler med denna genförändring att bli fler. Själva odlandet av stamceller gör alltså att cellerna riskerar samla på sig just de typer av mutationer, som kan bidra till cancer! Därför menade Outi att det är viktigt att fortsätta undersöka förändringar av arvsmassan hos embryonala stamceller som odlas. Dessutom är det uppmuntrande att de nya odlingsmetoderna med laminin gör att fler celler överlever, och att man därför inte behöver låta cellerna dela sig lika många gånger för att få de mängder celler man önskar. De tekniska problemen med embryonala stamceller är därför, konstaterade Outi, på väg att lösas. Under de närmaste åren förutspådde hon därför att vi kommer att få se testerna av fyra olika terapier med embryonala stamceller, bland annat mot Parkinsons sjukdom, ryggmärgsskador och skador på näthinnan. 8

9 Vi behöver inte nybilda nervceller för att lära oss saker, men för att foga ihop det med sådant vi redan kan Gerd Kempermann, Center for Regenerative Therapies och Center for Neurodegenerative Diseases, Dresden, Tyskland Vi vet sedan länge att nya nervceller kan bildas från stamceller i hjärnan. Men man har inte vetat exakt varför denna nybildning av nervceller behövs. Nu har Gerd Kempermann visat att vi behöver nybildning av nervceller för att kunna inkorporera ny kunskap med den man redan har. Men däremot inte för att lära sig nya saker. Både möss och människa kan bilda nya nervceller i hjärnan. Men om man ger möss ett cellgift, som stoppar denna nybildning, har man tidigare inte märkt några direkta problem för mössen. De behåller till exempel samma förmåga att lära sig nya saker, som andra möss. Nu har emellertid Gerd Kempermann visat att denna nybildning av nervceller behövs för att man ska kunna stoppa in en bit ny kunskap i ett ramverk av gammal. Som när man för hundrade gången parkerat på samma stora parkeringsplats, och ska minnas exakt var man ställde bilen den här gången. Intressant nog just den förmåga, som är en av de första att försvinna, när man utvecklar demens. För att testa denna förmåga hos möss använde han en metod, där djuren fick hoppa ner i en liten bassäng, och sedan simma till en liten plattform. Efter några försök lärde sig mössen var plattformen befann sig, och simmade rakt dit. Då flyttade forskarna plattformen, och mössen blev nu tvungna att lära sig en ny placering för plattformen i en omgivning, som de redan var bekanta med. I sådana experiment visade det sig att möss, där man på olika sätt slagit ut nybildningen av nervceller, behövde mycket längre tid än andra möss för att lära om. Detta gällde oavsett om mössen förlorat nybildningen av nervceller genom att ges ett cellgift, som hindrade denna. Eller genom att genmodifieras, så att de inte längre kunde bilda nya nervceller i den vuxna hjärnan. Denna förmåga att inkorporera ny kunskap i ett äldre sammanhang är bland det första att försämras vid demenssjukdomar. Sedan länge vet man också att både fysisk träning och sociala interaktioner förbättrar situationen för Alzheimerpatienter. Därför provade Gerd att förbereda mössen innan de utsattes för experimentet: antingen fick de tillgång till ett ekorrhjul, där de övade upp sin fysik. Eller så placerades de i en så kallad berikad miljö, där de fick en rad olika leksaker och utmaningar att sysselsätta sig med i buren. Sedan testade man mössen, och flyttade plattformen inte bara en, utan fyra gånger. Då såg man att fysisk träning gjorde att mössen hittade plattformen snabbare än andra möss första gången de släpptes ner i bassängen. Men bara möss som fått leva i en berikad miljö fick lättare att lära sig hitta plattformen igen, efter att den flyttats. Vidare blev mössen som fått träna i ekorrhjul lika bra på att hitta plattformen första gången oavsett om man hindrade dem från att bilda nya nervceller eller ej. Medan effekterna av berikad miljö försvann ifall man hindrade mössen från att bilda nya nervceller. Fysisk träning kan alltså förbättra hjärnans förmåga att lära sig helt nya saker, men detta kräver inte någon nybildning av nervceller. För att man ska bli bättre på att integrera nya fakta i ett sammanhang av äldre kunskap krävs däremot en mer komplex och allsidig stimulering av många olika sinnen. 10

10 Vilka celler skulle kunna reparera ryggmärgsskador? Jonas Frisén, Inst för Cell- och Molekylärbiologi, Karolinska Institutet, Stockholm, Sverige Skulle man kunna få ryggmärgsskador att läka snabbare och effektivare om man förstår mer om de stamceller, som normalt hjälper till att läka skadorna? Det hoppas i alla fall professor Jonas Frisén, som försöker reda ut exakt vilka celler inne i ryggmärgen det egentligen är, som delar sig när sådana skador läker. Vid en ryggmärgsskada ser man ofta att den drabbade med tiden blir lite bättre på att röra sig än omedelbart efter skadan. Det verkar dock inte bero på att de nervtrådar som gått av i ryggmärgen återbildas eller lagas. De nervceller som gått sönder verkar vara ohjälpligt förlorade. Men förutom att nervceller helt slits av skadas också de så kallade oligodendrocyter, som bildar ett isolerande lager kring nervtrådarna. Så länge isoleringen saknas fungerar inte nervcellerna, och det som kan hända efter en skada är att nya oligodendrocyter bildas från stamceller i ryggmärgen, som återställer isoleringen och gör dessa nervceller användbara igen. Försök på råttor visar att om man stoppar in mer nervstamceller i ryggmärgen hos ett djur som fått en sådan skada, så återhämtar sig djuret bättre än annars. Det är förbryllande Råttorna har ju redan stamceller, som i princip kan göra jobbet. Ändå måste man stoppa in nya för att det ska bli gjort ordentligt. Varför är det så? frågar sig Jonas. För att besvara den frågan har han börjat med att försöka reda ut vilka celler det egentligen är i ryggmärgen, som bildar de nya oligodendrocyterna. Med hjälp av avancerad genteknik har han skapat möss, där celler som är eller kommer från en viss celltyp börjar lysa av sig själva. Sådana möss visade för Jonas, att ryggmärgsskador får en grupp celler (som kallas ependymala celler) att dela sig, och bilda nya oligodendrocyter, som kan hjälpa till att ge ny isolering till de nervtrådar som finns kvar. Men dessutom bildar de samtidigt celler som kallas för astrocyter, som istället fyller igen det hål som skapats vid skadan med en hård ärr-liknande massa. En massa som inte ger någon ny isolering åt nervtrådarna, utan istället hindrar dem från att växa ut igen. Jonas ställer därför frågan om det skulle vara möjligt att manipulera dessa processer, så att det bildas mindre av den hårda ärr-liknande vävnaden och mer av de oligodendrocyter som kan hjälpa till att mildra skadorna. Han låter frågan hänga kvar i luften, och man misstänker som åhörare att han redan är i full gång med att undersöka saken 11

11 Människans hjärna är inte en datamaskin! Ron Mc Kay, Lieber Institute for Brain Development, Baltimore, USA Människans hjärna är inte som en datamaskin, menar professor Ron McKay, där de olika delarna kan lagra vilken information som helst, eller utföra vilka beräkningar som helst. Hjärnans olika delar är istället mycket specifika, anpassade för olika uppgifter. För att förstå hjärnan måste vi därför studera de konkreta celler hjärnan är uppbyggd av. Redan på 1940-talet, påminde Ron, visade en forskare som hette Sperry att en guldfisk som fått synnerven avskuren kunde läka denna nerv så väl att fisken efter ett tag åter kunde fånga mat som kastades ner i akvariet på första försöket. Det visade att det måste vara frågan om en exakt lagning av specifika funktioner. Fyrtio år senare, år 1981, kunde andra forskare demonstrera en antikropp, som bara reagerade på två av de 300 neuronerna i den igel som undersöktes. Vilket visade att det protein antikroppen binder till bara finns på ett par av djurets nervceller. Våra nervceller är alltså olika. De skiljer sig från varandra. De är inte som sinsemellan utbytbara ledningar eller kretsar, utan specifika! Vad vi behöver för att förstå nervsystemet, för att förstå vad mönstret av olika nervkopplingar betyder, är därför inte bioinformatiker, som analyserar mönstret för hur nervcellerna är hopkopplade med varandra. För att förstå mönstret i nervsystemet måste vi kunna undersöka och förstå hur de olika nervcellerna skiljer sig från varandra. Så vad forskningen behöver är tekniker för att studera och undersöka celler. Men det var först 1990, som forskare första gången klarade av att odla nervceller i laboratoriet. De lyckades inte enbart få cellerna att överleva i en skål med näringslösning, utan också att dela sig. Därigenom blev det på ett helt annat sätt än tidigare möjligt att studera nervceller. Sedan dess har vi också lärt oss hur man ska få olika slags odlingar av stamceller att bilda nya nervceller. Till en början lärde man sig att få embryonala stamceller att utvecklas till nervceller. De senaste åren har man dessutom sett att man kan göra samma sak från en slags stamceller, som kan skapas direkt från hudceller, och som går under namnet inducerade pluripotenta stamceller. Dessa inducerade pluripotenta stamceller skulle ha flera fördelar framför embryonala stamceller. Man skulle kunna utvinna dem direkt från den patient som behöver en behandling, och därmed förhoppningsvis slippa problem med avstötning. Och man skulle slippa använda mänskliga embryon för att få fram cellerna. Det råder dock osäkerhet om hur lika de embryonala och de inducerade pluripotenta stamcellerna egentligen är. Därför har Ron gjort en undersökning, där han analyserat användningen av ett stort antal olika gener i embryonala stamceller, i inducerade pluripotenta stamceller och i en rad olika vävnader i en normal vuxen kropp. Mönstret i användningen av de olika generna analyserades sedan med en statistisk metod som kallas tvåkomponentanalys, som bryter ner komplicerade mönster av många variabler till en punkt i ett koordinatsystem. Celler från olika kroppsvävnader hamnade då i ett begränsat område i koordinatsystemet, embryonala stamceller hamnade i ett mycket litet område, långt därifrån. De inducerade pluripotenta stamcellerna hamnade hela tiden i samma lilla område, som de embryonala stamcellerna. Ron sade att undersökningen upprepats många gånger med samma resultat: De embryonala och inducerade pluripotenta stamcellerna är mycket lika varandra. 13

12 Mot stamcellsbehandling av Parkinsons sjukdom Olle Lindvall, Wallenberg Neuroscience Center, Lunds Universitet, Sverige Kommer man i framtiden att kunna behandla stroke och Parkinsons sjukdom med hjälp av stamceller? Det är inte alls otänkbart, menade professor Olle Lindvall från Lund. Men mycket forskning och utveckling återstår i så fall. Olle började med att prata om Parkinsons sjukdom: Den beror på att nervceller som bildar signalämnet dopamin på ett särskilt ställe i hjärnan skadas. Olle och hans medarbetare har därför plockat fram celler som tillverkar detta signalämne ur aborterade foster, och provat att transplantera in dem i patienter. De patienter där behandlingen lyckats bäst har fått tillbaka det mesta av sin tidigare rörlighet, och behöver inte längre medicineras. Det visar att nya dopaminproducerande celler kan etablera sig i hjärnan, koppla ihop sig med andra nervceller, och återställa en del av de funktioner som försvunnit vid sjukdomen. Ett problem är visserligen att sjukdomen hos några patienter efter ett tiotal år börjar angripa även de nya cellerna, men även om det händer har behandlingen gett patienten många år med högre livskvalitet. Ett annat problem är att man bara kan utvinna små mängder av dessa celler från aborterade foster. Därför behövs en rikare källa för dopaminproducerande celler om man ska kunna behandla många patienter på detta sätt. En möjlig lösning på detta problem skulle vara att bilda dopaminproducerande celler från mänskliga embryonala stamceller. Det vill säga stamceller, som tagits från det inre av tidiga embryon. De skulle då kunna dela sig ett antal gånger medan de fortsatte vara helt ospecialiserade, så att man fick stora mängder celler, som sedan kunde fås att specialisera sig till dopaminproducerande celler. En annan möjlig lösning skulle vara att utnyttja en nyare teknik, där man kan få celler från en människas hud att bilda stamceller, som är mycket lika de embryonala stamcellerna, som också kan utvecklas vidare till celler som bildar dopamin. En tredje möjlig lösning skulle kunna vara att utnyttja en ännu nyare teknik, som kan få en hudcell att omvandla sig direkt till en dopaminproducerande cell, utan att ta vägen via stamceller. I vilket fall menade Olle att det finns många praktiska problem som måste lösas innan en sådan behandling kan bli verklighet. Inte minst måste man noga undersöka ifall de celler man planerar använda skulle kunna riskera att utvecklas till tumörer. Dessutom, påpekar han, måste en ny terapi inte bara fungera, den måste vara bättre än de alternativ som redan finns. Och det finns redan andra behandlingar som kan dämpa symptomen hos Parkinsonpatienter. Annorlunda ser det dock ut när det gäller stroke: Där får två tredjedelar av patienterna bestående skador, som ofta är allvarliga. Och det är ont om effektiva behandlingar. Så en stamcellsbehandling vid stroke skulle vara kliniskt meningsfull redan om den ger mindre förbättringar. En möjlighet kan vara att föra in förstadier till nervceller i hjärnan efter en stroke, och hoppas att de ersätter döda och skadade nervceller. En annan skulle vara att spruta in substanser som får hjärnans egna stamceller att bli bättre på att dela sig och bilda nya nervceller. En tredje möjlighet skulle vara att föra in andra slags stamceller i blodet, som bildar signalämnen som snabbar på bildningen av nya blodkärl i hjärnan, och dämpar de inflammatoriska reaktioner som fortsätter skada vävnaden i veckor efter en stroke. 14

13 Förstå hur vi bildar insulinproducerande celler Henrik Semb, Stem Cell Center, Lunds Universitet, Sverige Henrik Semb berättade att det varit svårt att få mänskliga embryonala stamceller att bilda insulinproducerande celler. Men att man lär sig mer och mer om hur utvecklingen av sådana celler i kroppen går till. Ungdomsdiabetes är en av de sjukdomar, som man tidigt föreställde sig skulle kunna behandlas med stamcellsterapier: Tanken såg enkel ut: Sjukdomen beror på att de celler i bukspottskörteln som tillverkar insulin blivit förstörda. Man skulle därför låta embryonala stamceller bilda nya sådana insulinproducerande celler, och transplantera in dem i patienter. Det har dock visat sig vara mycket svårare än man trodde att få mänskliga embryonala stamceller att utvecklas till celler som tillverkar insulin, och har de övriga egenskaper som skulle krävas för att ersätta de försvunna cellerna. Ska vi lära oss göra nya insulinproducerande celler måste vi därför, förklarade Henrik Semb, först lära oss mer om hur processen normalt går till i kroppen. Därför arbetar han och hans medarbetare idag med att kartlägga denna process: När bukspottkörteln bildas finns där ursprungligen en homogen cellmassa. En del av cellerna i denna börjar sedan bilda rör. Cellerna börjar då med att skaffa sig då två ojämlika sidor, man säger att de blir polära, och lägger sig sedan invid varandra i rosettliknande knyten, så att den ena sortens sida bildar innervägg i små hålrum i rosettens centrum. Dessa hålrum växer sedan till rör, som förenar sig med varandra, och bildar ett rörsystem genom bukspottkörteln. När insulinproducerande celler sedan ska bildas förlorar några av cellerna i rörens väggar sin polarisering. De vandrar då ut ur väggen, och utvecklas till små klumpar av insulinproducerande celler i utrymmena mellan rören. Henrik och hans medarbetare har visat att ett protein som heter CDC42 är nödvändigt för bildningen av dessa rör. Närmare bestämt visar sig proteinet behövas för att de celler som skaffat sig två ojämlika sidor ska fortsätta vara polariserade. Det vill säga, fortsätta ha den egenskap, som cellerna förlorar då de ska ta nästa steg mot insulinproducerande celler. När de sedan skapade genmodifierade möss som bildade ovanligt mycket CDC42 såg Henrik och hans kollegor också att cellerna hos dessa möss stannade i rörens väggar, och inte utvecklades vidare till insulinproducerande celler. Därmed har de hittat ett protein som reglerar ett nyckelsteg i utvecklingen mot insulinproducerande celler. De arbetar därför vidare med att utreda exakt vad det proteinet gör, och hur cellen normalt styr hur mycket det ska finnas av proteinet. På det sättet hoppas de få bitar av information om hur denna utveckling regleras, som kan pusslas ihop med varandra, till en bild som hjälper oss förstå, hur vi ska bära oss åt för att få embryonala eller andra stamceller, att bilda nya insulinproducerande celler åt diabetiker. 15

14 Kontrollera nervcellers utveckling med nanofibrer Ulrica Englund-Johansson, Inst för kliniska vetenskaper, Lunds Universitet, Sverige När våra celler lever och växer i kroppen omges de av ett nätverk bestående bland annat av olika fibrer, som hjälper dem på olika sätt. En intressant fråga är därför ifall våra tekniker för att odla celler skulle fungera bättre ifall cellerna förutom att omges av näringslösning får ligga ovanpå en matta av fibrer som liknar kroppens egna. Ulrica Englund-Johansson och hennes kollegor undersöker denna fråga. De använder nanofibrer (av ett ämne som kallas poly-l-laktid), som är ungefär lika tjocka som kroppens egna fibrer. Dessa läggs på botten av cellodlingsskålar, antingen i ett oordnat nätverk, eller så att fibrerna ligger parallellt med varandra. Sedan häller de på förstadier till nervceller, och ser om fibrerna hjälper dem att växa, dela sig och utvecklas vidare. Det visar sig att fibrerna i bägge fallen hjälper cellerna att överleva, och att specialisera sig: både mot nervceller, och mot andra celler som också behövs i centrala nervsystemet (gliaceller). Vissa skillnader fanns mellan ett oordnat nätverk och parallella fibrer: Var fibrerna parallella blev en större andel av cellerna avlånga nervceller, och de fick lättare att vandra i odlingen. Varifrån kommer stamcellerna som läker benbrott? Jessica Alm, Ortopediska forskningsenheten, Åbo Universitet, Finland När ett brutet ben läker bildas ett stort antal nya benceller för att reparera skadan. Det sker genom att speciella förstadieceller, så kallade stamceller, delar sig och utvecklas till nya benceller. Det råder dock oklarhet om varifrån förstadiecellerna kommer. 16 De flesta forskare har utgått från att det är celler som redan finns i benet, som börjar dela sig efter ett benbrott. Men nu har Jessica Alm från Åbo upptäckt att många patienter med benbrott har dessa speciella stamceller, som kan bilda nya benceller, i blodet. Detta antyder att celler kan rekryteras från hela kroppen till det ställe, där ett ben ska läka, eftersom dessa stamceller normalt inte finns i blodet. Jessica tog blod från tiotals patienter som opererats för benbrott, och jämförde med patienter som gjorde en höftledsoperation. Hos en tredjedel av dem med benbrott hittade hon så kallade mesenkymala stamceller, som kan ge upphov till ben, brosk och bindväv. Däremot hittade hon inga sådana celler hos patienter som höftledsopererats, vilket rimligen innebär att det varit benbrottet i sig, och inte operationen, som fått stamcellerna att vandra ut i blodet.

15 Stamceller för att klistra ihop nerver Mikael Wiberg, Inst för kirurgisk och perioperativ vetenskap samt integrativ medicinsk biologi, Umeå Universitet, Sverige Om man opererar fast amputerade fingrar kan man idag få nerver att växa ihop, vilket resulterar i att man får en viss rörlighet, men nästan ingen känsel. Detta leder till exempel till att man kan hålla i en penna, men inte skriva med den. Mikael Wibergs forskningsgrupp har därför utvecklat en teknik som kan hjälpa skadade nervändar att växa ihop. En tub av väv lindas då runt de nervändar som ska förbindas, och hjälper nervcellerna att skicka utskott, som får kontakt med varandra. Tekniken fungerar om avståndet mellan nervändarna är kort. Är avståndet mer än två centimeter måste man emellertid skarva genom att transplantera nervbitar från någon annan del av kroppen. Eftersom man då måste ta bort en bit nerv som egentligen behövs på sin normala plats (ofta i benet) försöker Mikael Wibergs och hans kollegor att hitta något annat att bygga skarven av. De har då sett att en typ av celler som kallas Schwann-celler kan fungera nästan lika bra som en transplanterad nerv. Dessa celler bildar signalämnen som får nervcellerna att bilda utskott in mot sig själva, och de ger stöd och isolering till de utskott som därigenom bildas. Hittills har det dock varit svårt att få tag på större mängder av dessa Schwann-celler. Men nu har forskargruppen upptäckt att de kan få en typ av stamceller vi alla har i benmärg och fettväv (mesenkymala stamceller) att utvecklas till Schwann-celler. De har också visat att de celler de fått fram verkligen bildar signalämnen, som får nervceller att bilda nya utskott. Mikael Wiberg hoppas att detta ska kunna leda fram till bättre metoder för att reparera nerver och kunna ersätta nervvävnad när man lappar ihop trasiga kroppar. 17 Kan stamceller återställa förmågan att tänka och minnas efter en cancerbehandling i barndomen? Klas Blomgren, Inst för kvinnors och barns hälsa, Karolinska Institutet, Sverige Allt eftersom vi blivit bättre på att behandla cancer hos barn har vi fått en allt större andel av vuxna i samhället, som i barndomen fått strålning som en del av sin behandling. Ett problem med detta, framför allt vid strålning mot hjärnan, är att strålningen inte bara slår mot cancerceller, utan också mot stamceller, vilket leder till att de som i barndomen fått sådan behandling har svårare än andra att lära sig saker och lösa problem. Klas Blomgren har därför börjat undersöka om man kan mildra denna typ av problem genom att ge nya stamceller till hjärnan. I ett första steg har han provat idén på möss, som först (nio dagar gamla) strålbehandlats, och sedan (efter ytterligare 12 dagar) givits hundra tusen nervstamceller. Efter tre månader kunde man se att knappt var tjugonde av de celler som förts in hade slagit sig ner och integrerats i mössens hjärnor. Till en del hade de ersatt de av mössens egna stamceller, som slagits ut av strålningen. När man gjorde olika tester av mössens förmåga att undersöka och lära sig saker såg man att stamcellsbehandlingen återställde det mesta av den förmåga som strålningen berövat djuren. I vart fall hos möss verkade alltså en sådan behandling fungera.