Základný výskum bol vždy poháňaný predovšetkým túžbou po poznaní a aplikácie boli často len akýmsi jeho vedľajším efektom. Ale časy sa menia. Dnešný základný výskum v medicínskej biológii smeruje priamo k zajtrajším medicínskym aplikáciám.
Spomínate si na Prometea z gréckych bájí? Na to, ako každý deň priletel orol a hrdinovi, prikutému ku skale, vytrhol kus pečene z tela? A ona za jediný deň dorástla na pôvodnú veľkosť. Tak možno niekde tu – v starovekom Grécku – by sme mohli začať naše rozprávanie o kmeňových bunkách.
Rovnako ako v prípade Prometeovom, aj naše telo disponuje bunkami, ktoré sú schopné nahradiť tie poškodené. Práve táto reparácia tvorí základnú premisu regeneratívnej medicíny pracujúcej s kmeňovými bunkami. Čo sú vlastne kmeňové bunky a aký je ich terapeutický potenciál?
Kmeňové bunky sú nešpecializované bunky embrya, plodu alebo dospelého človeka s dvoma jedinečnými vlastnosťami. Po prvé, sú schopné takzvanej bunkovej špecializácie, keď sa z kmeňovej bunky stáva presne definovaný typ, napríklad bunka srdca, pečene, mozgu a podobne (tento proces sa nazýva diferenciácia). A po druhé, sú schopné nekonečne dlho sa deliť a stále si uchovávať svoju „kmeňovosť“, t. j. schopnosť diferenciácie.
Vzhľadom na tieto vlastnosti v sebe kmeňové bunky skrývajú obrovský terapeutický potenciál. Veríme, že pomocou takýchto buniek by sa, napríklad, dali liečiť rôzne v súčasnosti neliečiteľné neurodegeneratívne ochorenia. K nim patrí Parkinsonova choroba, Huntingtonova choroba, Alzheimerova choroba a skleróza multiplex, ktoré sú charakteristické stratou špecifických bunkových typov nervového systému a ich funkcie. Náhle mozgové príhody ako mŕtvica a nevratné poranenia mozgu alebo miechy by bolo možné zvrátiť prísunom fungujúcich neurónov. Pri niektorých typoch cukrovky by sa dali nahradiť pankreatické beta bunky produkujúce inzulín.
Cieľom výskumu však nie sú len konkrétne terapie. Kmeňové bunky môžeme použiť na testovanie liečiv a cytotoxicity. Svojou vlastnosťou samoobnovy, teda nepretržitého delenia, sa podobajú rakovinovým bunkám, a preto ich môžeme za určitých okolností využiť i ako model karcinogenézy. Embryonálne kmeňové bunky sú, odhliadnuc od ich transplantačného potenciálu, stále vhodným modelom na štúdium mechanizmov skorej embryogenézy, embryotoxicity a diferenciácie.
Napriek tomuto úžasnému potenciálu sú kmeňové bunky veľmi kontroverznou témou. O čo ide? Podľa pôvodu môžeme rozdeliť kmeňové bunky na embryonálne a adultné (dospelé). A tie prvé sa získavajú spôsobom, ktorý je podľa mnohých eticky neprijateľný.
.embryonálne a dospelé
Embryonálne kmeňové bunky sa izolujú z preimplantačného embrya v štádiu blastocysty. Ako prvý ich izoloval James Thomson v roku 1998, takmer 20 rokov po izolácii myších embryonálnych kmeňových buniek (myši dodnes slúžia ako modelové zvieratá). Zdrojom embryonálnych kmeňových buniek je umelé oplodnenie, in vitro fetrilizácia IVF.
Pokiaľ bolo umelé oplodnenie úspešné, splynutím spermie a vajíčka vzniká jednobunkový útvar – zygota – ktorý sa ryhovaním delí najprv na dve bunky, tie potom na štyri, a tak ďalej. Po piatich-šiestich dňoch sa vytvorí sférický bunkový útvar nazývaný blastocysta.
Blastocysta obsahuje dutinu, ktorá je obklopená trofoblastom – vrstvou buniek, z ktorej vzniká placenta a všetky extraembryonálne tkanivá. Vnútri dutiny sa nachádza asi sto embryonálnych kmeňových buniek. V štádiu blastocysty sme schopní tieto bunky izolovať a v laboratórnych podmienkach (in vitro) kultivovať, a udržiavať tak úplne umelý status quo.
V prirodzených podmienkach (in vivo) tieto bunky neostávajú embryonálnymi bunkami príliš dlho. Ich úlohou je diferencovať a špecializovať sa, čím vznikajú všetky tri zárodočné vrstvy budúceho embrya: primárny endoderm (pľúca, pečeň, pankreas), mezoderm (všetky typy svalov, červené krvinky) a ektoderm (koža, neuróny, oči, uši). Schopnosť embryonálnych kmeňových buniek vytvárať všetky tieto tkanivá sa nazýva pluripotencia.
Túto diferenciáciu však vieme dosiahnuť aj umelo. V súčasnosti vieme embryonálne kmeňové bunky nasmerovať na cestu vedúcu k rôznym bukovým typom. A vidieť v Petriho miske bunky schopné kontrakcie rovnako ako bunky srdcového svalu, to je naozaj veľký zážitok.
Potenciál adultných, dospelých kmeňových buniek je oproti embryonálnym trochu obmedzený. Nemôžu z nich vznikať všetky druhy buniek, iba niektoré bunkové typy, na pomyselnej stupnici potencie sú „len“ multipotentné. Tieto bunky sa nachádzajú ako nediferencované bunky v diferencovaných tkanivách. Ich primárnou funkciou je počas celého nášho života nahrádzať bunky poškodené.
Takýmito dospelými kmeňovými bunkami sú napríklad hematopoietické bunky v kostnej dreni, z ktorých vznikajú počas celého nášho života krvné bunky a bunky imunitného systému (pričom súčasné výskumy ukazujú, že z takýchto buniek sa za určitých podmienok môžu vyvíjať aj bunky svojimi vlastnosťami veľmi podobné neurónom). V ľudskom tele takmer nenájdeme orgán, kde by sa nenachádzali kmeňové bunky. Ich výskyt bol potvrdený v pečeni, pľúcach, srdci, pankrease, obličkách, v centrálnom nervovom systéme, v chrupavkách a vo svaloch. Funkcia mnohých však ostáva ešte stále nezdokumentovaná.
Výhodou dospelých kmeňových buniek je to, že metódy ich získavania nevyvolávajú nijaké spory. Výhodou embryonálnych kmeňových buniek je ich podstatne vyššia „kmeňovosť“. Nedali by sa tieto dve výhody nejako spojiť?
.indukované pluripotentné
Riešenie našiel Shinya Yamanaka z Japonska. Zjednodušene povedané, vzal bunky kože (boli to myšie fibroblasty, terminálne diferencované bunky, ktorých osud už nejde zmeniť – aspoň sme si to dovtedy všetci mysleli) a týmto bunkám reprogramoval DNA. Urobil to tak, že do genómu bunky vložil 4 gény (Oct 3/4, Sox2, c-Myc, Klf4), ktoré definoval ako „kmeňové“.
Takýmto spôsobom vznikli takzvané indukované pluripotentné kmeňové bunky (iPS cells – z anglického induced pluripotent stem cells). Tie sú svojimi vlastnosťami identické s bunkami, z ktorých v ranom štádiu embryogenézy vzniká naše telo.
Keď svoj revolučný výskum prezentoval v roku 2006 na prestížnej konferencii medzinárodného konzorcia ISSCR v kanadskom Toronte, prítomní vedci len krútili hlavami, tak neuveriteľne to znelo. Prešli len dva roky a desiatky laboratórií na celom svete napodobnili a vylepšili jeho metódu. Minulý rok som tohto nenápadného muža (ktorého odhadujem na budúceho nositeľa Nobelovej ceny) mala možnosť vidieť na rovnakej konferencii vo Filadelfii ako jednu z najuznávanejších celebrít. Jeho jednoduchá prednáška vyvolala prajné úsmevy a zaslúžený potlesk. „Začínali sme s americkými bunkami,“ tvrdil s úsmevom Yamanaka, „a podarilo sa to. A tak sme si povedali, že už im toho veľa nedlžíme a môžeme začať s japonskými.“
V Japonsku sa už uvažuje o génových bankách s iPS bunkami od rôznych pacientov, ktoré by mali byť univerzálne použiteľné a pokrývať viac ako 90 percent japonskej populácie. Znie to úplne fantasticky: ak budete mať napr. nevratne poškodené srdce, stačí vziať niekoľko buniek z vášho tela, reprogramovať ich, získať z nich iPS bunky, a tie potom pomocou už známych metodík nasmerovať tak, aby z nich boli bunky, ktoré tie poškodené úplne nahradia a prevezmú ich funkciu (v prípade srdca ide o kardiomyocéty). Okrem elegantného obídenia etických výhrad spojených so získavaním kmeňových buniek majú iPS bunky aj tú výhodu, že sú pacient-špecifické. A to znamená, že po ich aplikácii váš imunitný systém tieto bunky neodvrhne.
Existuje, samozrejme, veľa problémov, s ktorými sa pri derivácii iPS buniek stretávame. Vírusy, ktoré sa používajú na prenos kľúčových génov a ich inkorporáciu do genómu, patria do nebezpečnej kategórie retrovírusov, do ktorej patrí aj vírus HIV. Medzi cieľovými génmi sa nachádzajú onkogény – gény regulujúce bunkový cyklus – ktoré sú v prípade mutácie schopné spôsobiť nádorovú transformáciu bunky.
Takže napriek tomu, že výskum kmeňových buniek napreduje veľmi rýchlo, stále stojíme len niekde na začiatku. Moderné metódy molekulárnej biológie a genetiky nám umožňujú nazrieť dovnútra bunky a manipulovať s ňou. Všetky tieto snahy však narážajú na hranice dané legislatívou a vedeckou etikou každého z nás. Objav indukovaných pluripotentných kmeňových buniek umožnil niektoré z týchto hraníc významne posunúť. A to môže mať pre budúcu medicínu obrovský význam.
Autorka pracuje na Lekárskej fakulte Masarykovej univerzity v Brne
Spomínate si na Prometea z gréckych bájí? Na to, ako každý deň priletel orol a hrdinovi, prikutému ku skale, vytrhol kus pečene z tela? A ona za jediný deň dorástla na pôvodnú veľkosť. Tak možno niekde tu – v starovekom Grécku – by sme mohli začať naše rozprávanie o kmeňových bunkách.
Rovnako ako v prípade Prometeovom, aj naše telo disponuje bunkami, ktoré sú schopné nahradiť tie poškodené. Práve táto reparácia tvorí základnú premisu regeneratívnej medicíny pracujúcej s kmeňovými bunkami. Čo sú vlastne kmeňové bunky a aký je ich terapeutický potenciál?
Kmeňové bunky sú nešpecializované bunky embrya, plodu alebo dospelého človeka s dvoma jedinečnými vlastnosťami. Po prvé, sú schopné takzvanej bunkovej špecializácie, keď sa z kmeňovej bunky stáva presne definovaný typ, napríklad bunka srdca, pečene, mozgu a podobne (tento proces sa nazýva diferenciácia). A po druhé, sú schopné nekonečne dlho sa deliť a stále si uchovávať svoju „kmeňovosť“, t. j. schopnosť diferenciácie.
Vzhľadom na tieto vlastnosti v sebe kmeňové bunky skrývajú obrovský terapeutický potenciál. Veríme, že pomocou takýchto buniek by sa, napríklad, dali liečiť rôzne v súčasnosti neliečiteľné neurodegeneratívne ochorenia. K nim patrí Parkinsonova choroba, Huntingtonova choroba, Alzheimerova choroba a skleróza multiplex, ktoré sú charakteristické stratou špecifických bunkových typov nervového systému a ich funkcie. Náhle mozgové príhody ako mŕtvica a nevratné poranenia mozgu alebo miechy by bolo možné zvrátiť prísunom fungujúcich neurónov. Pri niektorých typoch cukrovky by sa dali nahradiť pankreatické beta bunky produkujúce inzulín.
Cieľom výskumu však nie sú len konkrétne terapie. Kmeňové bunky môžeme použiť na testovanie liečiv a cytotoxicity. Svojou vlastnosťou samoobnovy, teda nepretržitého delenia, sa podobajú rakovinovým bunkám, a preto ich môžeme za určitých okolností využiť i ako model karcinogenézy. Embryonálne kmeňové bunky sú, odhliadnuc od ich transplantačného potenciálu, stále vhodným modelom na štúdium mechanizmov skorej embryogenézy, embryotoxicity a diferenciácie.
Napriek tomuto úžasnému potenciálu sú kmeňové bunky veľmi kontroverznou témou. O čo ide? Podľa pôvodu môžeme rozdeliť kmeňové bunky na embryonálne a adultné (dospelé). A tie prvé sa získavajú spôsobom, ktorý je podľa mnohých eticky neprijateľný.
.embryonálne a dospelé
Embryonálne kmeňové bunky sa izolujú z preimplantačného embrya v štádiu blastocysty. Ako prvý ich izoloval James Thomson v roku 1998, takmer 20 rokov po izolácii myších embryonálnych kmeňových buniek (myši dodnes slúžia ako modelové zvieratá). Zdrojom embryonálnych kmeňových buniek je umelé oplodnenie, in vitro fetrilizácia IVF.
Pokiaľ bolo umelé oplodnenie úspešné, splynutím spermie a vajíčka vzniká jednobunkový útvar – zygota – ktorý sa ryhovaním delí najprv na dve bunky, tie potom na štyri, a tak ďalej. Po piatich-šiestich dňoch sa vytvorí sférický bunkový útvar nazývaný blastocysta.
Blastocysta obsahuje dutinu, ktorá je obklopená trofoblastom – vrstvou buniek, z ktorej vzniká placenta a všetky extraembryonálne tkanivá. Vnútri dutiny sa nachádza asi sto embryonálnych kmeňových buniek. V štádiu blastocysty sme schopní tieto bunky izolovať a v laboratórnych podmienkach (in vitro) kultivovať, a udržiavať tak úplne umelý status quo.
V prirodzených podmienkach (in vivo) tieto bunky neostávajú embryonálnymi bunkami príliš dlho. Ich úlohou je diferencovať a špecializovať sa, čím vznikajú všetky tri zárodočné vrstvy budúceho embrya: primárny endoderm (pľúca, pečeň, pankreas), mezoderm (všetky typy svalov, červené krvinky) a ektoderm (koža, neuróny, oči, uši). Schopnosť embryonálnych kmeňových buniek vytvárať všetky tieto tkanivá sa nazýva pluripotencia.
Túto diferenciáciu však vieme dosiahnuť aj umelo. V súčasnosti vieme embryonálne kmeňové bunky nasmerovať na cestu vedúcu k rôznym bukovým typom. A vidieť v Petriho miske bunky schopné kontrakcie rovnako ako bunky srdcového svalu, to je naozaj veľký zážitok.
Potenciál adultných, dospelých kmeňových buniek je oproti embryonálnym trochu obmedzený. Nemôžu z nich vznikať všetky druhy buniek, iba niektoré bunkové typy, na pomyselnej stupnici potencie sú „len“ multipotentné. Tieto bunky sa nachádzajú ako nediferencované bunky v diferencovaných tkanivách. Ich primárnou funkciou je počas celého nášho života nahrádzať bunky poškodené.
Takýmito dospelými kmeňovými bunkami sú napríklad hematopoietické bunky v kostnej dreni, z ktorých vznikajú počas celého nášho života krvné bunky a bunky imunitného systému (pričom súčasné výskumy ukazujú, že z takýchto buniek sa za určitých podmienok môžu vyvíjať aj bunky svojimi vlastnosťami veľmi podobné neurónom). V ľudskom tele takmer nenájdeme orgán, kde by sa nenachádzali kmeňové bunky. Ich výskyt bol potvrdený v pečeni, pľúcach, srdci, pankrease, obličkách, v centrálnom nervovom systéme, v chrupavkách a vo svaloch. Funkcia mnohých však ostáva ešte stále nezdokumentovaná.
Výhodou dospelých kmeňových buniek je to, že metódy ich získavania nevyvolávajú nijaké spory. Výhodou embryonálnych kmeňových buniek je ich podstatne vyššia „kmeňovosť“. Nedali by sa tieto dve výhody nejako spojiť?
.indukované pluripotentné
Riešenie našiel Shinya Yamanaka z Japonska. Zjednodušene povedané, vzal bunky kože (boli to myšie fibroblasty, terminálne diferencované bunky, ktorých osud už nejde zmeniť – aspoň sme si to dovtedy všetci mysleli) a týmto bunkám reprogramoval DNA. Urobil to tak, že do genómu bunky vložil 4 gény (Oct 3/4, Sox2, c-Myc, Klf4), ktoré definoval ako „kmeňové“.
Takýmto spôsobom vznikli takzvané indukované pluripotentné kmeňové bunky (iPS cells – z anglického induced pluripotent stem cells). Tie sú svojimi vlastnosťami identické s bunkami, z ktorých v ranom štádiu embryogenézy vzniká naše telo.
Keď svoj revolučný výskum prezentoval v roku 2006 na prestížnej konferencii medzinárodného konzorcia ISSCR v kanadskom Toronte, prítomní vedci len krútili hlavami, tak neuveriteľne to znelo. Prešli len dva roky a desiatky laboratórií na celom svete napodobnili a vylepšili jeho metódu. Minulý rok som tohto nenápadného muža (ktorého odhadujem na budúceho nositeľa Nobelovej ceny) mala možnosť vidieť na rovnakej konferencii vo Filadelfii ako jednu z najuznávanejších celebrít. Jeho jednoduchá prednáška vyvolala prajné úsmevy a zaslúžený potlesk. „Začínali sme s americkými bunkami,“ tvrdil s úsmevom Yamanaka, „a podarilo sa to. A tak sme si povedali, že už im toho veľa nedlžíme a môžeme začať s japonskými.“
V Japonsku sa už uvažuje o génových bankách s iPS bunkami od rôznych pacientov, ktoré by mali byť univerzálne použiteľné a pokrývať viac ako 90 percent japonskej populácie. Znie to úplne fantasticky: ak budete mať napr. nevratne poškodené srdce, stačí vziať niekoľko buniek z vášho tela, reprogramovať ich, získať z nich iPS bunky, a tie potom pomocou už známych metodík nasmerovať tak, aby z nich boli bunky, ktoré tie poškodené úplne nahradia a prevezmú ich funkciu (v prípade srdca ide o kardiomyocéty). Okrem elegantného obídenia etických výhrad spojených so získavaním kmeňových buniek majú iPS bunky aj tú výhodu, že sú pacient-špecifické. A to znamená, že po ich aplikácii váš imunitný systém tieto bunky neodvrhne.
Existuje, samozrejme, veľa problémov, s ktorými sa pri derivácii iPS buniek stretávame. Vírusy, ktoré sa používajú na prenos kľúčových génov a ich inkorporáciu do genómu, patria do nebezpečnej kategórie retrovírusov, do ktorej patrí aj vírus HIV. Medzi cieľovými génmi sa nachádzajú onkogény – gény regulujúce bunkový cyklus – ktoré sú v prípade mutácie schopné spôsobiť nádorovú transformáciu bunky.
Takže napriek tomu, že výskum kmeňových buniek napreduje veľmi rýchlo, stále stojíme len niekde na začiatku. Moderné metódy molekulárnej biológie a genetiky nám umožňujú nazrieť dovnútra bunky a manipulovať s ňou. Všetky tieto snahy však narážajú na hranice dané legislatívou a vedeckou etikou každého z nás. Objav indukovaných pluripotentných kmeňových buniek umožnil niektoré z týchto hraníc významne posunúť. A to môže mať pre budúcu medicínu obrovský význam.
Autorka pracuje na Lekárskej fakulte Masarykovej univerzity v Brne
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.