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