Tämä kattava katsaus esittelee suuria läpimurtoja kantasolututkimuksessa viimeisen kahden vuosikymmenen aikana. Se osoittaa, kuinka tutkijat pystyvät nykyään ohjelmoimaan aikuissolut uudelleen pluripotentteiksi kantasoluiksi, jotka kykenevät kehittymään minkä tahansa kehon solutyypiksi. Artikkeli käsittelee viittä pääasiallista kantasolutyyppiä – alkio-, hyvin pienet alkionkaltaiset, tumansiirto-, uudelleenohjelmoidut ja aikuiskantasolut – joilla jokaisella on omat lähteensä ja kliininen potentiaalinsa. Keskeisiä edistysaskeleita ovat parantuneet uudelleenohjelmointimenetelmät virusten, RNA:n ja kemikaalien avulla; parantuneet viljelyjärjestelmät, jotka välttävät eläinperäisiä tuotteita; sekä kehittyvät 3D-biotulostusteknologiat, jotka voisivat lopulta tuottaa siirrettäviä kudoksia ja elimiä.

Viimeaikaisia läpimurtoja kantasolututkimuksessa: laboratoriosta potilaskäyttöön

Sisällysluettelo

• Johdanto
• Pluripotenttien kantasolujen lähteet
• Alkionkantasolut (ES-solut)
• Hyvin pienet alkionkaltaiset kantasolut (VSEL-solut)
• Tumansiirtokantasolut (NTSC-solut)
• Uudelleenohjelmoidut kantasolut (RSC-solut)
• Aikuiskantasolut
• Kliiniset sovellutukset ja tulevaisuuden suunnat
• Eettiset näkökohdat
• Lähdetiedot

Johdanto

Kantasolututkimus on kokenut vallankumouksellisia muutoksia viimeisen 20 vuoden aikana, erityisesti nopeaa edistystä viimeisen vuosikymmenen ajan. Aloite alkoi vuonna 1961, kun kanadalaiset tutkijat tohtorit James A. Till ja Ernest A. McCulloch löysivät ensimmäisenä hiiren luuytimestä kantasoluja, jotka kykenivät erilaistumaan useiksi solutyypeiksi. Tämä vakiinnutti pluripotenttien kantasolujen (PSC-solujen) käsitteen – solujen, jotka kykenevät kehittymään minkä tahansa kehon solutyypiksi.

Ala on saavuttanut useita kriittisiä virstanpylväitä: Dolly-lammas kloonattiin vuonna 1996 käyttäen somaattisen solun tumansiirtoa (SCNT), ensimmäiset ihmisen alkionkantasolut (hESC-solut) eristettiin vuonna 1998, ja indusoidut pluripotentit kantasolut (iPSC-solut) luotiin vuonna 2006 ohjelmoimalla aikuissolut uudelleen vain neljällä transkriptiotekijällä. Näiden löytöjen merkittävyys tunnustettiin, kun Shinya Yamanaka ja John Gurdon saivat Nobelin palkinnon vuonna 2012 työstään, joka osoitti, että kypsät solut voidaan ohjelmoida uudelleen pluripotenttiseen tilaan.

Tutkijat ovat systemaattisen katsauksen kautta tunnistaneet viisi pääasiallista kantasoluluokkaa: alkionkantasolut (ES-solut), hyvin pienet alkionkaltaiset kantasolut (VSEL-solut), tumansiirtokantasolut (NTSC-solut), uudelleenohjelmoidut kantasolut (RSC-solut) ja aikuiskantasolut. Jokainen tyyppi tarjoaa ainutlaatuisia etuja ja haasteita kliinisille sovellutuksille. Vain NTSC-soluja on käytetty kokonaisen organismin tuottamiseen (apinat Kiinassa, 2018), kun taas muita tyyppejä on käytetty kudosten ja elimien tuottamiseen.

Kantasolut, erityisesti ESC- ja iPSC-solut, osoittavat valtavaa potentiaalia neljällä pääalueella: regeneratiivisessa ja transplanttiolääketieteessä, tautimallinnuksessa, lääkeaineiden seulonnassa sekä ihmisen kehitysbiologiassa. Ala jatkaa kehittymistään alkuperäisistä löydöistä laajeneviin kliinisiin sovellutuksiin, vaikka haasteita vielä on – erityisesti solujen kasvun ja erilaistumisen hallinnan suhteen, koska iPSC-uudelleenohjelmointiteknologia on suhteellisen uutta.

Pluripotenttien kantasolujen lähteet

Pluripotentteja kantasoluja (PSC-soluja) luonnehtivat kaksi olennainen ominaisuutta: itseään uusiva kyky (kyky jakautua) ja potentti (kyky erilaistua erikoistuneiksi solutyypeiksi, jotka polveutuvat yhdestä kolmesta primaarisesta siitoskerroksesta: ektodermistä, endodermistä tai mesodermistä). Tutkijat käyttävät kolmea pääasiallista testiä testatakseen pluripotenssia hiirimalleissa.

Teratoomamuodostustesti arvioi spontaania erilaistuneiden kudosten muodostumista kaikista kolmesta siitoskerroksesta siirrettäessä soluja immunopoistettujen hiirten sisään. Kimeeramuodostustesti testaa, osallistuvatko kantasolut kehitykseen injisoimalla ne varhaisiin alkioihin (2N-blastokysteihin) ja tarkistamalla, onko luovuttajasoluilla sukusolusiirron kapasiteettia, tuottavatko ne toimivia sukusoluja ja säilyttävätkö ne kromosomaalisen eheyden. Tetraploidinen (4N) komplementaatiotesti määrittää pluripotenttien solujen kapasiteetin koko organismissa injisoimalla soluja 4N-alkioihin ja seuraten kasvuvaiheita alkion ulkopuolisiin sukusukupolviin, jotka johtuvat siirretyistä kantasoluista eivätkä alkion itsensä.

Alkionkantasolut (ES-solut)

Ihmisen alkionkantasolut (hESC-solut) kerätään varhaisvaiheen blastokysteista (4-5 päivää hedelmöityksen jälkeen) joko tuhoamalla lähdeblastokysti tai keräämällä myöhemmän vaiheen kudoksia (jopa 3 kuukauden sikiöikään asti). Nämä olivat ensimmäiset kantasolut, joita sovellettiin tutkimuskäyttöön, ja niitä käytetään edelleen yleisesti kliinisissä tutkimuksissa nykyään (kuten seurataan clinicaltrials.gov-sivustolla).

hESC-solut edustavat pluripotenssin kultastandardia, mutta niihin liittyy eettisiä huolenaiheita alkion tuhoamisen ja mahdollisten immuunihylkimisongelmien suhteen siirrettäessä potilaisiin. Näistä haasteista huolimatta ne tarjoavat edelleen arvokkaita oivalluksia kehitysbiologiaan ja toimivat tärkeinä vertailukohtina uudemmille kantasoluteknologioille.

Hyvin pienet alkionkaltaiset kantasolut (VSEL-solut)

Uudenlainen pluripotenttien kantasolujen tyyppi, nimeltään hyvin pienet alkionkaltaiset kantasolut (VSEL-solut), on osoittanut lupaavia tuloksia niiden tunnistamisen jälkeen vuonna 2006. Yli 20 itsenäistä laboratoriota on vahvistanut niiden olemassaolon, vaikka jotkin ryhmät ovat kyseenalaistaneet niiden pätevyyden. Nämä solut ovat pieniä, varhaiskehityksen kantasoluja, joita löytyy aikuisista kudoksista ja jotka ilmentävät pluripotenssimarkkereita.

VSEL-solut mitoitsevat noin 3-5 mikrometriä hiirissä ja 5-7 mikrometriä ihmisissä (hieman punasoluja pienempiä). Ne ilmentävät ESC-markkereita, mukaan lukien SSEA, tuma-Oct-4A, Nanog ja Rex1, yhdessä muuttuvien primordiaalisten sukusolujen markkereiden kuten Stella ja Fragilis kanssa. Niiden kehitysalkuperä saattaa liittyä sukusolujen talletuksiin kehittyvissä elimissä alkionkehityksen aikana.

Vuoden 2019 ehdotetun mallin mukaan VSEL-solut polveutuvat primordiaalisista sukusoluista ja erilaistuvat kolmeen mahdolliseen kohtaloon: mezenkymaalisiksi kantasoluiksi (MSC-soluiksi), hemangioblasteiksi (mukaan lukien hematopoieettiset kantasolut ja endoteelisen kantasolut) sekä kudoskohtaisiksi kantasoluiksi. Pluripotentteina kantasoluina VSEL-soluilla saattaa olla etuna kyky erilaistua siitoskerrosten yli aikuisissa eläimissä tai ihmisissä, mahdollisesti toimien vaihtoehtona monipotentteille kudoskohtaisille kantasoluille aikuisilla.

VSEL-solut saattavat voittaa useita ongelmia, jotka liittyvät muihin kantasolutyyppeihin: ESC-solujen eettiset kiistat ja iPSC-solujen teratoomamuodostusriski. Tämä tekee niistä erityisen lupaavia tuleville kantasolututkimuksille ja kliinisille sovellutuksille, joissa nämä huolenaiheet aiheuttavat merkittäviä esteitä.

Tumansiirtokantasolut (NTSC-solut)

Alun perin löydettynä vuonna 1996, somaattisen solun tumansiirtotekniikka (SCNT) on vähitellen kehittynyt tuottamaan tumansiirtokantasoluja (NTSC-solut). Tämä prosessi alkaa implantoimalla luovuttajan tuma täysin erilaistuneesta somaattisesta solusta (kuten fibroblastista) ennukleoiduun oosyttiin (munasolu, josta tuma on poistettu).

Uusi isäntämunasolu laukaisee sitten luovuttajan tumaan geneettisen uudelleenohjelmoinnin. Tämän yksittäisen solun lukuisat mitoottiset jakautumiset viljelyssä kehittävät blastokystin (noin 100 solua varhaisvaiheen alkiona), tuottaen lopulta organismin, jolla on lähes identtinen DNA alkuperäisen organismin kanssa – kloonin ydinluovuttajasta. Prosessi voi tuottaa sekä terapeuttista että reproduktiivista kloonausta.

Dolly-lammas (1996) oli ensimmäinen onnistunut nisäkkään reproduktiivinen klooni. Sen jälkeen noin kaksi tusinaa muuta lajia on kloonattu. Tammikuussa 2018 kiinalaiset tutkijat Shanghaissa ilmoittivat onnistuneesti kloonaavansa kaksi naispuolista makakiapinaa käyttäen sikiöfibroblasteja SCNT:n kautta – ensimmäiset kädelliset, jotka on kloonattu tällä menetelmällä.

Kloonattujen kädellisten luominen voisi mullistaa ihmisen tautitutkimusta. Geneettisesti yhtenäiset ei-ihmis-kädelliset voisivat toimia arvokkaina eläinmalleina kädellisten biologiassa ja biomedikaalisessa tutkimuksessa, auttaen tutkimaan tautimekanismeja ja lääkekohteita samalla vähentäen geneettisen variaation sekoittavia tekijöitä ja tarvittavien laboratorioeläinten määrää. Tämä teknologia voisi yhdistää CRISPR-Cas9-genomimuokkaukseen luodakseen geneettisesti muunneltuja kädellismalleja ihmisen sairauksista kuten Parkinsonin taudista ja erilaisista syövistä.

Lääkeyhtiöt ovat ilmaisseet korkeaa kysyntää kloonatuille apinoille lääkekokeiluihin. Innokkaana tästä näkymästä Shanghai on priorisoinut rahoituksen kansainvälisen kädellistutkimuskeskuksen perustamiseksi tuottamaan kloonattuja tutkimuseläimiä kansainväliseen käyttöön. SCNT on ainutlaatuinen kantasolumenetelmien joukossa, koska se voi tuottaa koko elävän kehon eikä vain solukerroksia, kudoksia tai osia elimistä, antaen sille biofysiologisia toiminnallisia etuja ESC- ja iPSC-soluihin verrattuna sekä perustutkimuksessa että kliinisessä sovellutuksessa.

Uudelleenohjelmoidut kantasolut (RSC-solut)

Vuodesta 2006, jolloin Yamanaka ja kollegat ensimmäisenä loivat indusoidut pluripotentit kantasolut (iPSC-solut), uudelleenohjelmointiteknologiat ovat edistyneet merkittävästi. Tämä pätee erityisesti suoriin uudelleenohjelmointimenetelmiin sekä laboratorio-olosuhteissa (in vitro) että elävissä organismeissa (in vivo) tuottaakseen tiettyjä kudoslinjoja käyttäen linjakohtaisia transkriptiotekijöitä, RNA-signaalimuutoksia sekä pieniä molekyylejä tai kemikaaleja.

Nämä suorat lähestymistavat ohittavat iPSC-vaiheen, tuottaen tarkempia soluja kuten indusoidut neuronaaliset kantasolut (iNPC-solut), jotka ovat lähempänä kohdesolulinjoja kuten hermosoluja ja myöhempiä motorisia neuroneja. Uudelleenohjelmoidut kantasolut (RSC-solut) johdetaan soveltamalla mitä tahansa laboratoriomenetelmiä primaarisolujen geneettisten signaalien uudelleenohjelmointiin, SCNT-tekniikkaa lukuun ottamatta.

Voittaakseen hESC-soluihin liittyvät eettiset ja immunogeeniset haasteet, iPSC-solut ovat nousseet lupaavana vaihtoehtona, koska ne johdetaan aikuisten somaattisista kudoksista. Ihmisen iPSC-lähteet – mukaan lukien veri, iho ja virtsa – ovat runsaita. Koska hiPSC-solut voidaan kerätä yksittäisiltä potilailta, immuunihylkimistä voidaan välttää, kun ne siirretään takaisin samaan potilaaseen (autologinen siirto).

Tutkijat ovat kehittäneet menetelmiä hiPSC-solujen saamiseksi virtsan putkisoluista. Menetelmä, joka vaatii vain 30 ml:n virtsanäytteen, on yksinkertainen, suhteellisen nopea, kustannustehokas ja universaali (sovellettavissa kaiken ikäisille, sukupuolille ja rotu-/etnisyysryhmille). Kokonaisprosessi sisältää vain 2 viikkoa soluviljelyä ja 3-4 viikkoa uudelleenohjelmointia, tuottaen korkeita iPSC-satoja erinomaiseen erilaistumispotentiaaliin.

Virtsasta johdetut iPSC-solut, kerätty 200 ml:n puhtaista virtsanäytteistä Sendai-virus-toimitusjärjestelmän kautta, näyttivät normaal

Yleisiä lähteitä ovat luuydin, rasvakudos, hammaspulppa ja eri elimet. Mesenkymaaliset kantasolut (MSC-solut) kuuluvat tutkituimpiin aikuiskantasoluihin ja ovat osoittaneet lupaavia tuloksia tulehduksellisten sairauksien hoidossa, kudoksen korjauksen edistämisessä ja immuunivasteen säätelyssä.

Vaikka aikuiskantasolut ovat monipuolisuudeltaan heikompia kuin pluripotentit kantasolut, niillä on etuja kuten vähemmän eettisiä huolenaiheita, alhaisempi kasvainmuodostusriski ja vakiintunut käyttö kliinisissä toimenpiteissä kuten luuydinsiirroissa. Tutkimus jatkaa niiden täyden potentiaalin ja vaikutusmekanismien selvittämistä.

Kliiniset sovellutukset ja tulevaisuuden suunnat

Kantasolututkimus on edennyt perustutkimuksesta esikliinisiin tutkimuksiin ja nyt kliinisiin kokeisiin useilla sovellusaloilla. Edistysaskeleet uudelleenohjelmointitekijöiden yhdistelmissä, kokeellisissa menetelmissä ja signalointireittien selvittämisessä ovat mahdollistaneet ensimmäiset kliiniset kokeet verkkokalvosolusiirroissa ja selkäydinsiirroissa.

Ala jatkaa haasteiden käsittelyä solunjakautumisen ja erilaistumisen säätelyn suhteen. Tutkijat systemaattisesti tarkastelevat menetelmällisiä aiheita kuten: pluripotenssin indusointi genomisilla muutoksilla; uusien vektorien rakentaminen uudelleenohjelmointitekijöillä; iPSC-solujen pluripotenssin edistäminen pienmolekyyleillä ja geneettisillä signalointireiteillä; uudelleenohjelmoinnin tehostaminen mikroRNA:lla; iPSC-solujen pluripotenssin indusointi ja tehostaminen kemikaaleilla; erityisten erilaistuneiden solutyyppien tuottaminen; sekä iPSC-solujen pluripotenssin ja genomisen stabiiliuden ylläpitäminen.

Nämä aiheet ovat ratkaisevan tärkeitä iPSC-solujen tuottamisen ja erilaistumisen tehon maksimoimiseksi kliinistä sovellutusta varten. Edistysaskeleet soluviljelyssä sisältävät ruokintasoluttoman viljelyn, eläinperäisistä aineista vapaat viljelyalustat sekä erilaiset biomateriaaleilla tehostetut tekniikat. Kolmiulotteiset (3D) solutus- ja biotulostusteknologiat edustavat erityisen lupaavia suuntia yhdessä PSC-resurssien ja toisen sukupolven suoran solun uudelleenohjelmoinnin kanssa elävissä organismeissa.

Pitkän aikavälin kantasolututkimuksen ja kliinisten tavoitteiden keskiössä on turvallisten ja tehokkaiden hoitomenetelmien kehittäminen sairauksille kuten neurodegeneratiiviset sairaudet, selkäydinvammat, sydäntaudit, diabetes ja monet muut tilanteet, joissa solun vaihto tai kudoksen uudelleenmuodostus voisi tarjota terapeuttisia hyötyjä.

Eettiset näkökohdat

Kantasolututkimus jatkaa tärkeiden eettisten näkökohtien käsittelyä, erityisesti koskien alkiokantasoluja ja kloonaustekniikoita. Ihmisalkioiden tuhoaminen hESC-tutkimusta varten on kiistanalaista monissa yhteiskunnissa ja sääntely vaihtelee maittain.

Uudet tekniikat kuten iPSC-solut auttavat ratkaisemaan joitakin eettisiä huolenaiheita tarjoamalla vaihtoehtoisia pluripotentteja solulähteitä ilman alkioiden tuhoamista. Kuitenkin uusia eettisiä kysymyksiä nousee geneettisen manipuloinnin, solulahjoituksen suostumuksen ja saatavuuden tasa-arvon suhteen.

Kansainvälinen tutkimusyhteisö jatkaa ohjeistusten ja säädösten kehittämistä varmistaakseen eettisen edistyksen kantasolututkimuksessa samalla kun maksimoidaan mahdolliset hyödyt eri sairauksista kärsiville potilaille.

Lähdetiedot

Alkuperäisen artikkelin otsikko: Advances in Pluripotent Stem Cells: History, Mechanisms, Technologies, and Applications

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

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

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

Tämä potilasyhteisölle suunnattu artikkeli perustuu vertaisarvioituun tutkimukseen ja pyrkii tekemään monimutkaisen tieteellisen tiedon saavutettavaksi säilyttäen samalla kaikki alkuperäisen julkaisun oleelliset löydökset ja tiedot.