Denna omfattande översikt belyser stora genombrott inom stamcellsforskningen under de senaste tjugo åren och visar hur forskare nu kan omprogrammera vuxna celler till pluripotenta stamceller som kan utvecklas till vilken celltyp som helst i kroppen. Artikeln täcker fem huvudsakliga stamcellstyper—embryonala, mycket små embryoliknande, kärnöverförings-, omprogrammerade och vuxna stamceller—var och en med unika källor och klinisk potential. Viktiga framsteg inkluderar förbättrade omprogrammeringsmetoder med virus, RNA och kemikalier; bättre odlingssystem som undviker animaliska produkter; och framväxande 3D-biotryckeritekniker som så småningom kan generera transplanterbara vävnader och organ.

Senaste genombrott inom stamcellsforskning: Från laboratorieupptäckter till patienttillämpningar

Innehållsförteckning

• Introduktion
• Källor till pluripotenta stamceller
• Embryonala stamceller (ES-celler)
• Mycket små embryoliknande stamceller (VSEL-celler)
• Kärnöverföringsstamceller (NTSC-celler)
• Omprogrammerade stamceller (RSC-celler)
• Vuxna stamceller
• Kliniska tillämpningar och framtida inriktningar
• Etiska överväganden
• Källinformation

Introduktion

Stamcellsforskningen har genomgått revolutionerande förändringar under de senaste 20 åren, med särskilt snabba framsteg under det senaste decenniet. Fältet inleddes 1961 när kanadensiska forskare, dr James A. Till och dr Ernest A. McCulloch, först upptäckte stamceller i musens benmärg som kunde differentiera till olika celltyper, vilket etablerade begreppet pluripotenta stamceller (PSC)—celler som kan utvecklas till vilken celltyp som helst i kroppen.

Fältet har nått flera kritiska milstolpar: fåret Dolly klonades 1996 med somatisk cellkärnöverföring (SCNT), de första humana embryonala stamcellerna (hES-celler) isolerades 1998, och inducerade pluripotenta stamceller (iPS-celler) skapades 2006 genom omprogrammering av vuxna celler med endast fyra transkriptionsfaktorer. Betydelsen av dessa upptäckter bekräftades när Shinya Yamanaka och John Gurdon tilldelades Nobelpriset 2012 för att ha visat att mogna celler kan omprogrammeras till ett pluripotent tillstånd.

Forskare har identifierat fem huvudkategorier av stamceller genom systematisk översyn: embryonala stamceller (ES-celler), mycket små embryoliknande stamceller (VSEL-celler), kärnöverföringsstamceller (NTSC-celler), omprogrammerade stamceller (RSC-celler) och vuxna stamceller. Varje typ erbjuder unika fördelar och utmaningar för kliniska tillämpningar. Endast NTSC-celler har använts för att generera en komplett organism (apor i Kina, 2018), medan andra typer har använts för att skapa vävnader och organ.

Stamceller, särskilt ES-celler och iPS-celler, visar stor potential inom fyra huvudområden: regenerativ och transplantationsmedicin, sjukdomsmodellering, läkemedelsutveckling och screening, samt mänsklig utvecklingsbiologi. Fältet fortsätter att utvecklas från initiala upptäckter till expanderande kliniska tillämpningar, även om utmaningar kvarstår—särskilt när det gäller cellproliferation och differentieringskontroll, eftersom iPS-omprogrammeringstekniken fortfarande är relativt ny.

Källor till pluripotenta stamceller

Pluripotenta stamceller (PSC) kännetecknas av två väsentliga egenskaper: självförnyelse (förmåga att föröka sig) och potens (förmåga att differentiera till specialiserade celltyper från ett av de tre primära germlagren: ektoderm, endoderm eller mesoderm). Forskare använder tre huvudsakliga tester för att undersöka pluripotens i musmodeller.

Teratomformationsassayer utvärderar spontan generering av differentierade vävnader från alla tre germlager efter transplantation av celler till immunsupprimerade möss. Kimerformationsassayer testar om stamceller bidrar till utveckling genom att injicera dem i tidiga embryon (2N-blastocyster) och kontrollera om donatorceller har germlinjeöverföringskapacitet, genererar funktionella gameter och behåller kromosomintegritet. Tetraploid (4N)-komplementeringsassayer bestämmer kapaciteten hos pluripotenta celler att bilda en hel organism genom att injicera celler i 4N-embryon och övervaka tillväxtstadier för extraembryonala linjer som härrör från de transplanterade stamcellerna snarare än embryot självt.

Embryonala stamceller (ES-celler)

Humana embryonala stamceller (hES-celler) hämtas från blastocyster i tidigt stadium (4–5 dagar efter befruktning) antingen genom att förstöra källblastocysten eller genom att ta vävnadsprover från senare stadier (upp till 3 månaders graviditetsålder). Dessa var de första stamcellerna som användes i forskning och används fortfarande vanligt i kliniska prövningar idag (spårbara på clinicaltrials.gov).

hES-celler representerar guldstandarden för pluripotens men medför etiska bekymmer kring embryoförstöring och potentiella immunavstötningsproblem vid transplantation till patienter. Trots dessa utmaningar ger de fortsatt värdefulla insikter i utvecklingsbiologi och fungerar som viktiga jämförelser för nyare stamcellstekniker.

Mycket små embryoliknande stamceller (VSEL-celler)

En ny typ av pluripotent stamcell, kallad mycket små embryoliknande stamceller (VSEL-celler), har visat potential sedan sin identifiering 2006. Över 20 oberoende laboratorier har bekräftat deras existens, även om vissa grupper har ifrågasatt deras giltighet. Dessa celler är små, tidiga utvecklingsstamceller som finns i vuxna vävnader och uttrycker pluripotensmarkörer.

VSEL-celler mäter ungefär 3–5 mikrometer hos möss och 5–7 mikrometer hos människor (något mindre än röda blodkroppar). De uttrycker ES-cellmarkörer inklusive SSEA, nukleär Oct-4A, Nanog och Rex1, tillsammans med markörer för migrerande primordiala könsceller som Stella och Fragilis. Deras utvecklingsursprung kan vara associerat med germlinjedepositioner i utvecklande organ under embryogenes.

Enligt en föreslagen modell från 2019 härrör VSEL-celler från primordiala könsceller och differentierar till tre potentiella öden: mesenkymala stamceller (MSC), hemangioblaster (inklusive hematopoetiska stamceller och endoteliala progenitorceller) och vävnadsbundna stamceller. Som pluripotenta stamceller kan VSEL-celler ha fördelen att kunna differentiera över germlager i vuxna djur eller människor, vilket potentiellt fungerar som ett alternativ till monopotenta vävnadsbundna stamceller hos vuxna.

VSEL-celler kan övervinna flera problem associerade med andra stamcellstyper: de etiska kontroverserna kring ES-celler och risken för teratom (tumör)bildning hos iPS-celler. Detta gör dem särskilt lovande för framtida stamcellsstudier och kliniska tillämpningar där dessa bekymrar utgör betydande hinder.

Kärnöverföringsstamceller (NTSC-celler)

Upptäckt 1996 har tekniken för somatisk cellkärnöverföring (SCNT) gradvis utvecklats för att generera kärnöverföringsstamceller (NTSC-celler). Processen börjar med att implantera en donatorkärna från en fullt differentierad somatisk cell (som en fibroblast) i en enukleerad oocyt (äggcell med borttagen kärna).

Den nya värdäggcellen utlöser sedan genetisk omprogrammering av donatorkärnan. Många mitotiska delningar av denna enskilda cell i odling utvecklar en blastocyst (cirka 100 celler i tidigt embryo), vilket slutligen genererar en organism med nästan identiskt DNA som den ursprungliga organismen—en klon av kärndonatorn. Processen kan producera både terapeutisk och reproduktiv kloning.

Fåret Dolly (1996) var den första framgångsrika reproduktiva klonen av ett däggdjur. Sedan dess har cirka två dussin andra arter klonats. I januari 2018 meddelade kinesiska forskare i Shanghai att de framgångsrikt klonat två kvinnliga makakapor med fetala fibroblaster via SCNT—de första primaterna klonade med denna metod.

Att skapa klonade primater kan revolutionera forskning om mänskliga sjukdomar. Genetiskt enhetliga icke-mänskliga primater kan tjäna som värdefulla djurmodeller för primatbiologi och biomedicinsk forskning, vilket hjälper till att undersöka sjukdomsmekanismer och läkemedelsmål samtidigt som genetiska variationsconfounders och antalet laboratoriedjur som behövs minskas. Denna teknik kan kombineras med CRISPR-Cas9-genomredigering för att skapa genetiskt modifierade primatmodeller av mänskliga störningar som Parkinsons sjukdom och olika cancerformer.

Läkemedelsföretag har uttryckt hög efterfrågan på klonade apor för läkemedelstestning. Entusiastiska över denna framtid har Shanghai prioriterat finansiering för att etablera ett internationellt primatforskningscenter för att producera klonade forskningsdjur för internationell användning. SCNT är unik bland stamcellsmetoder eftersom den kan generera en hel levande kropp snarare än buntar av celler, vävnader eller organbitar, vilket ger den biofysiologiska funktionella fördelar jämfört med ES-celler och iPS-celler för både grundforskning och klinisk tillämpning.

Omprogrammerade stamceller (RSC-celler)

Sedan 2006, när Yamanaka och kollegor först genererade inducerade pluripotenta stamceller (iPS-celler), har omprogrammeringstekniker avsevärt framskridit. Detta gäller särskilt för direkta omprogrammeringsmetoder både i laboratoriemiljö (in vitro) och inom levande organismer (in vivo) för att producera specifika vävnadslinjer med linjerestrikerade transkriptionsfaktorer, RNA-signalmodifikationer och små molekyler eller kemikalier.

Dessa direkta tillvägagångssätt hoppar över iPS-cellsteget och ger mer precisa celler som inducerade neurala progenitorceller (iNPC-celler) som är närmare målcelllinjer som neurala celler och efterföljande motorneuroner. Omprogrammerade stamceller (RSC-celler) härleds genom att tillämpa laboratoriemetoder för att omprogrammera genetiska signaler hos primära celler, exklusive SCNT-tekniken.

För att övervinna etiska och immunogena utmaningar associerade med hES-celler har iPS-celler framträtt som ett lovande alternativ eftersom de härrör från vuxna somatiska vävnader. Humana iPS-cellkällor—inklusive blod, hud och urin—är rikliga. Eftersom hiPS-celler kan hämtas från enskilda patienter kan immunavstötning undvikas när de transplanteras tillbaka till samma patient (autolog transplantation).

Forskare har utvecklat metoder för att erhålla hiPS-celler från renala tubulära celler som finns i urin. Ett protokoll som endast kräver ett 30 ml urinprov är enkelt, relativt snabbt, kostnadseffektivt och universellt (tillämpligt på patienter i alla åldrar, kön och etniska bakgrunder). Den totala proceduren involverar endast 2 veckors cellodling och 3–4 veckors omprogrammering, vilket producerar höga iPS-cellutbyten med utmärkt differentieringspotential.

Urin-härledda iPS-celler insamlade från 200 mL rena mittenströmsurinprov via Sendai-virusleveranssystemet visade normal karyotyp (kromosomstruktur) och uppvisade potential att differentiera till alla tre germlager i teratomassayer. En subpopulation av celler isolerade från urin visade progenitorcellegenskaper, inklusive cell-yttre uttryck av c-Kit, SSEA4, CD105, CD73, CD91, CD133 och CD44-markörer som kan särskilja mellan blåscelllinjer (uroteliala, glatt muskel, endoteliala och interstitiella), vilket gör dem till en lovande alternativ cellkälla.

Vuxna stamceller

Vuxna stamceller representerar en annan viktig kategori av stamceller som finns i olika vävnader i hela kroppen. Till skillnad från pluripotenta stamceller är dessa typiskt multipotenta—kapabla att differentiera till ett begränsat utbud av celltyper specifika för deras ursprungsvävnad.

Vanliga källor inkluderar benmärg, fettvävnad, tandpulpa och olika organ. Mesenkymala stamceller (MSC) är bland de mest studerade vuxna stamcellerna och har visat potential inom behandling av inflammatoriska tillstånd, främjande av vävnadsreparation och modulering av immunsvar.

Även om de är mindre mångsidiga än pluripotenta stamceller erbjuder vuxna stamceller fördelar inklusive färre etiska frågeställningar, lägre risk för tumörbildning och etablerad klinisk användning i procedurer som benmärgstransplantation. Forskningen fortsätter att utforska deras fulla potential och verkningsmekanismer.

Kliniska tillämpningar och framtida inriktningar

Stamcellsforskning har framskridit genom grundläggande forskning, prekliniska studier och nu kliniska prövningar inom flera tillämpningsområden. Framsteg inom omprogrammeringsfaktorkombinationer, experimentella metoder och kartläggning av signalvägar har bidragit till de första kliniska prövningarna för transplantation av retinala celler och ryggmärgstransplantationer.

Fältet fortsätter att adressera utmaningar relaterade till celldelning och differentieringskontroll. Forskare systematiskt granskar metodologiska ämnen inklusive: induktion av pluripotens genom genomiska modifieringar; konstruktion av nya vektorer med omprogrammeringsfaktorer; främjande av iPSC-pluripotens med små molekyler och genetiska signalvägar; förbättring av omprogrammering med mikroRNA; induktion och förstärkning av iPSC-pluripotens med kemikalier; generering av specifika differentierade celltyper; och upprätthållande av iPSC-pluripotens och genomisk stabilitet.

Dessa ämnen är avgörande för att maximera effektiviteten av iPSC-generering och differentiering i förberedelse för klinisk översättning. Framsteg inom cellodling inkluderar foderfri odling, xenofria medier (undviker animaliska produkter) och olika biomaterialförstärkta tekniker. Tredimensionella (3D) cellulära och bioutskriftsteknologier representerar särskilt lovande inriktningar, tillsammans med PSC-resurser och andra generationens direkt cellulär omprogrammering i levande organismer.

Långsiktiga mål för stamcellsforskning och klinik fokuserar på att utveckla säkra, effektiva behandlingar för tillstånd inklusive neurodegenerativa sjukdomar, ryggmärgsskador, hjärtsjukdom, diabetes och många andra tillstånd där cellersättning eller vävnadsregenerering kan ge terapeutiska fördelar.

Etiska överväganden

Stamcellsforskning fortsätter att navigera viktiga etiska överväganden, särskilt angående embryonala stamceller och kloningsteknologier. Förstörelsen av humana embryon för hESC-forskning förblir kontroversiell i många samhällen och regleras olika mellan länder.

Framväxande teknologier som iPSC hjälper till att adressera vissa etiska frågor genom att tillhandahålla alternativa pluripotenta cellkällor utan embryoförstörelse. Emellertid uppstår nya etiska frågor angående genetisk manipulation, samtycke för celldonation och rättvis tillgång till resulterande terapier.

Den internationella forskargemenskapen fortsätter att utveckla riktlinjer och regler för att säkerställa etisk framskridning inom stamcellsforskning samtidigt som man maximerar potentiella fördelar för patienter som lider av olika sjukdomar och tillstånd.

Källinformation

Originalartikelns titel: Advances in Pluripotent Stem Cells: History, Mechanisms, Technologies, and Applications

Författare: Gele Liu, Brian T. David, Matthew Trawczynski, Richard G. Fessler

Publikation: Stem Cell Reviews and Reports (2020) 16:3–32

DOI: https://doi.org/10.1007/s12015-019-09935-x

Denna patientvänliga artikel baseras på peer-granskad forskning och syftar till att göra komplex vetenskaplig information tillgänglig samtidigt som alla väsentliga fynd och data från originalpublikationen bevaras.