Wykorzystanie indukowanych pluripotencjalnych komórek

Wykorzystanie indukowanych
pluripotencjalnych komórek macierzystych w
modelowaniu chorób
Ewa Liszewska
Pracownia Neurobiologii Molekularnej i Komórkowej
Międzynarodowy Instytut Biologii Molekularnej i Komórkowej w Warszawie
Komórki macierzyste
zdolne są do:
podziałówkopiowania siebie
komórka
macierzysta
różnicowania się do
innych typów komórek
Komórki macierzyste
zdolne są do:
podziałówkopiowania siebie
komórka
macierzysta
różnicowania się do
innych typów komórek
Po co komórki macierzyste się dzielą i różnicują?
1 komórka
macierzysta
1 komórka
macierzysta
Podziały komórkowe –
utrzymują pulę komórek
macierzystych
4 zróżnicowane komórki
Różnicowanie – zastępuje martwe lub uszkodzone komórki
Jakie są rodzaje komórek macierzystych?
somatyczne komórki macierzyste
(komórki macierzyste tkanek)
Występują w tkankach/organach
płodów, dzieci i osób dorosłych
mięśnie
kości
mózg
Są ważne na wszystkich
etapach życia
skóra
embrionalne
komórki macierzyste
Jakie są rodzaje komórek macierzystych?
somatyczne komórki macierzyste
(komórki macierzyste tkanek)
Ograniczona liczba podziałów,
jednak w niektórych tkankach te komórki
podtrzymują wymianę i naprawę przez
całe życie.

Mają ograniczoną zdolność
różnicowania się.
Z reguły mogą z nich powstawać tylko
komórki tkanki lub organu, w którym się
znajdują.


Trudne w pozyskaniu (mała liczba
komórek, trudno dostępne organy) i
utrzymaniu w warunkach
laboratoryjnych po wyizolowaniu z
organu.
embrionalne
komórki macierzyste
Nieograniczona liczba podziałów.


Mają nieograniczoną zdolność
różnicowania się.
Mogą różnicować się do
każdego typu komórek.
Łatwe w pozyskaniu i
utrzymaniu w warunkach
laboratoryjnych.

Embrionalne komórki macierzyste
zapłodniona
komórka jajowa
morula
blastocysta
trofoblast
Ludzkie embrionalne komórki macierzyste
węzeł zarodkowy
ludzkie embrionalne
komórki macierzyste
węzeł
zarodkowy
embrionalne
komórki macierzyste
ludzka blastocysta
(0,1 mm)
mysie komórki fibroblastyczne
(warstwa odżywcza)
Zastosowanie
ludzkich embrionalnych komórek
macierzystych




Podstawowa wiedza o rozwoju człowieka
Terapia komórkowa/medycyna regeneracyjna/
transplantologia
Modelowanie chorób/poznanie komórkowych i
molekularnych mechanizmów chorób
Opracowywanie nowych lekarstw/ testy
toksyczności
Terapia komórkowa/medycyna regeneracyjna
zapłodniona
komórka jajowa
morula
blastocysta
trofoblast
różnicowanie do
wyspecjalizowanych komórek
węzeł
zarodkowy
kom. mięśniowe
kom. krwi
kom. wątroby
przeszczep komórek
(zawał mięśnia sercowego,
udar mózgu, parkinsonizm,
cukrzyca, dystrofie mięśniowe,
toksyczne uszkodzenia wątroby i nerek)
embrionalne
komórki macierzyste
neuron
kom. wysp
trzustkowych
kom. nabłonka jelita
Zastosowanie
ludzkich embrionalnych komórek
macierzystych




Podstawowa wiedza o rozwoju człowieka
Terapia komórkowa/medycyna regeneracyjna/
transplantologia
Modelowanie chorób/poznanie komórkowych i
molekularnych mechanizmów chorób
Opracowywanie nowych lekarstw/ testy
toksyczności
Modelowanie chorób/ Opracowywanie nowych lekarstw
zapłodniona
komórka jajowa
morula
blastocysta
trofoblast
węzeł
zarodkowy
wprowadzenie
mutacji
różnicowanie
embrionalne
komórki macierzyste
zróżnicowane komórki modelujące chorobę
Wady/problemy embrionalnych komórek
macierzystych:

Embrionalne komórki macierzyste wprowadzone do dorosłego
organizmu, zamiast integrować się, mogą stworzyć
potworniaki

Problem z immunokompatybilnością - reakcja układu
immunolgicznego biorcy (tak jak normalny przeszczep)

Kontrowersje natury etycznej, moralnej i religijnej
Nagrodę Nobla w 2012
w dziedzinie medycyny i fizjologii otrzymali
John Gurdon
Shinya Yamanaka
za badania nad komórkami macierzystymi
Uzasadnienie komisji:
„za odkrycie, że dojrzałe komórki mogą zostać przeprogramowane
z powrotem w komórki pluripotencjalne”.
Ich praca zrewolucjonizowała rozumienie rozwoju komórek i organizmu.
Embrionalna komórka macierzysta
pluripotencjalna
John Gurdon
komórki
skóry
komórki serca
komórki mózgu
komórki zróżnicowane
Komórki pluripotencjalne (pluripotentne) – mogą tworzyć każdy rodzaj komórki w organizmie
•
•
różnicowanie jest procesem odwracalnym
jądro komórkowe nie traci wraz z rozwojem organizmu
zdolności pluripotencjalnych
Opracowanie metody wytwarzania
indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych
z komórek fibroblastycznych skóry
2006 rok - mysz
Shinya Yamanaka
2007 rok - człowiek
Indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste (iPS)
biopsja
przeprogramowanie
(indukcja pluripotencji)
4
cząsteczki
samoodnawianie
dojrzałe
zróżnicowane
komórki
(komórki
fibroblastyczne skóry)
indukowane pluripotencjalne
komórki macierzyste
(przypominające embrionalne
komórki macierzyste)
pacjent
przeszczep komórek
(terapia komórkowa/
medycyna regeneracyjna)
dojrzałe
zróżnicowane
komórki
opracowywanie nowych lekarstw/
farmakoterapia spersonalizowana
komórki chorobowe
(modelowanie chorób)
różnicowanie
Zalety indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych:
Brak problemów natury etyczno-religijnej
• Technika prosta
• Brak reakcji immunologicznej biorcy
Dają dostęp do komórek, które wcześniej były niedostępne lub trudno
osiągalne
•
•
Obecne kierunki badan w dziedzinie
indukowanych pluripotentnych komórek macierzystych:
o
Poszukiwanie idealnej metody uzyskiwania iPS
zwiększenie wydajności (0,001-0,1%)
• wyeliminowanie potencjalnie groźnych czynników stosowanych do produkcji iPS
(bezpieczna metoda wprowadzania czynników przeprogramowujących,
znalezienie jak najbezpieczniejszego zestawu cząsteczek przeprogramowujących)
•
Opracowywanie protokołów pozwalających na
wydajne różnicowanie iPS
do specyficznych tkanek lub narządów w warunkach laboratoryjnych
o
Choroby modelowane
indukowanymi pluripotencjalnymi komórkami macierzystymi
Choroby neurologiczne:
Zaburzenia krwi i układu chłonnego:
• stwardnienie zanikowe boczne
• rdzeniowy zanik miśśni
• choroba Parkinsona
• choroba Huntington
• zespół Downa
• zespół łamliwego chromosomu X
• zespół Retta
•schizofrenia
anemia
• talasemia
• czerwienica
•
Zaburzenia metabolizmu:
cukrzyca
choroba Gauchera
•
•
Choroby naczyniowo-sercowe
Choroby autoimmunologiczne
obecnie ok. 80 chorób
Dystrofie mięśniowe
Modelowanie stwardnienia guzowatego przy użyciu
indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych
Współpraca:
Międzynarodowy Instytut Biologii Molekularnej i Komórkowej w Warszawie
Pracownia Neurobiologii Molekularnej i Komórkowej
Prof. dr hab. Jacek Jaworski
Dr Ewa Liszewska
Szpital Pediatryczny w Warszawie
Oddział Neurologii i Pediatrii
Prof. dr hab. n. med. Sergiusz Jóźwiak
Instytut „Pomnik-Centrum Zdrowia Dziecka” w Warszawie;
Klinka Neurologii i Epileptologii
Prof. nadzw. dr hab. n. med. Katarzyna Kotulska
Pacjenci
Projekt: Homing Plus
Projekt: Sonata - UMO-2013/11/D/NZ3/01079
Stwardnienie guzowate
Inne nazwy choroby: sclerosis tuberosa, TS, choroba Bourneville'a-Pringle'a,
morbus Bourneville-Pringle, epiloia, tuberous sclerosis complex, TSC.
Choroba zaliczana do fakomatoz
Przyczyna: mutacja w genie TSC1 lub TSC2
Objawy:
Skóra:

angiofibroma twarzy;

płaskie włókniaki czoła;
włókniaki okołopaznokciowe;

znamiona bezbarwne;
ogniska skóry szagrynowej.



Ośrodkowy układ nerwowy:
•
guzki korowe mózgu;
guzki podwyściółkowe mózgu;
gwiaździak olbrzymiokomórkowy.

•
•

Narządy wewnętrzne - serce, nerki, płuca i oczy i inne

rhabdomyoma serca;

limfangioleiomiomatoza płuc;

angiomiolipoma nerek.
Plan badań
Etap 1
biopsja
Skóra szagrynowa
Pacjent TSC
lub osoba zdrowa
dojrzałe
zróżnicowane
komórki
(komórki
fibroblastyczne skóry)
analiza komórek
Pobranie biopsji i pozyskanie z niej komórek
3-4 mm
biopsja
fragment skóry
pocięcie na
drobne kawałki
trawienie
enzymami
hodowla komórek
po około 2 tygodniach
po około 2 miesiącach
Przykładowa analiza komórek
Pacjent ze stwardnieniem guzowatym => mutacja w genie TSC1
Osoba zdrowa
Pacjent TSC – skóra zdrowa
Pacjent TSC – skóra szagrynowa
Tubulina – stanowi rusztowanie komórki
Jądra komórek
mutacja
gen
Osoba
zdrowa
białko
Pacjent TSC
Pacjent TSC
skóra szagrynowa skóra zdrowa
Białko genu TSC1
Poszukiwanie mechanizmów komórkowych prowadzących do rozwoju choroby.
Sprawdzenie wpływu różnych substancji chemicznych na komórki w celu poszukiwania nowych lekarstw.
Testy toksyczności potencjalnych lekarstw.
Plan badań
Etap 2
biopsja
4
cząsteczki
przeprogramowanie
(indukcja pluripotencji)
samoodnawianie
dojrzałe
zróżnicowane
komórki
(komórki
fibroblastyczne skóry)
analiza komórek
indukowane pluripotencjalne
komórki macierzyste
(przypominające embrionalne
komórki macierzyste)
Pacjent TSC
lub osoba zdrowa
różnicowanie
analiza komórek
zróżnicowane komórki neuronalne komórki macierzyste i neurony
(modelowanie choroby)
•
Zalety modelu badawczego:
daje dostęp do komórek, które wcześniej były niedostępne lub trudno osiągalne.
Nanog
komórki fibroblastyczne
z biopsji skóry
komórki iPS
przeprogramowanie
różnicowanie
neuronalne
komórki macierzyste
Nestyna
mają markery pluripotencji
neurony
Tra1-81
MAP2
Czemu neuronalne komórki macierzyste i neurony ?
neuronalne
komórki macierzyste
neurony
Nestyna
Zaburzenia w migracji i różnicowaniu
neuronalnych komórek macierzystych
mogą prowadzić do rozwoju nieprawidłowości w
strukturze mózgu oraz tworzenia guzów.

MAP2
Nieprawidłowa budowa neuronów,
zaburzenia w ich funkcjonowaniu
lub niedobór określonych typów neuronów mogą być
przyczyną padaczki, upośledzenia umysłowego,
jak również autyzmu.

Jednym z objawów stwardnienia guzowatego
 Do objawów neurologicznych występujących
jest rozwój guzów mózgu np. SEGA, guzków korowych. u pacjentów ze stwardnieniem guzowatym należą m.in.
Liczne badania wskazują, że mogą być one
padaczka (w 90 proc. przypadków,
wynikiem zaburzeń w migracji i różnicowaniu
u 70 proc. chorych pojawia się w 1. roku życia),
neuronalnych komórek macierzystych.
pośledzenie umysłowe (50 proc.) oraz autyzm.

Przykładowa analiza komórek
Pacjent I
Osoba zdrowa
Pacjent ze stwardnieniem guzowatym => mutacja w genie TSC1
Marker neuronalnych komórek macierzystych – Nestyna
Jadra komórkowe
Przykładowa analiza komórek
Pacjent II
Osoba zdrowa
Pacjent ze stwardnieniem guzowatym => mutacja w genie TSC1
Marker neuronalnych komórek macierzystych – Nestyna
Jadra komórkowe
Poszukiwanie mechanizmów komórkowych prowadzących do rozwoju choroby.
Sprawdzenie wpływu różnych substancji chemicznych na komórki w celu poszukiwania nowych lekarstw.
Testy toksyczności potencjalnych lekarstw.
Skąd nasze zainteresowanie NF1?
Dziękuję za uwagę