Kantasolut ja Soluterapia Mika Pietilä Luentosarja TKK, 11-26.02.2010

Luentosarjan Sisältö 1. Luentokerta (11.02.2010) Käsitteiden selitys Kantasolut 2. Luentokerta (12.02.2010) In vitro soluviljely 3. Luentokerta (18.02.2010) 4. Luentokerta (19.02.2010) Soluterapia 5. Luentokerta (26.02.2010) Solutuotteiden karakterisointi (laatu) 6. Luentokerta (27.02.2010) Kantasolut in vitro toksikolgisuustesteissä

Käsitteiden selitys Tissue Engineering (Langer & Vacanti 1993) "an interdisciplinary field that applies the principles of engineering and life sciences toward the development of biological substitutes that restore, maintain, or improve tissue function” Regenerative Medicine (Viola et al. 2003) employs a wide variety of tools (such as stem cells and growth factors) and methods to induce tissue regeneration

Käsitteiden selitys Cell Therapy (FDA) “The prevention, treatment, cure or mitigation of disease or injuries in humans by the administration of autologous, allogeneic or xenogeneic cells that have been manipulated or altered ex vivo.” Advanced Therapy Products (Annex I, Directive 2001/83/EC) ”....properties for treating or preventing diseases in human beings, or that they may be used in or administered to human beings with a view to restoring, correcting or modifying physiological functions by exerting principally a pharmacological, immunological or metabolic action, they are biological medicinal products”

Käsitteiden selitys Biomedicine Autologinen (Autologous) a family of sciences interested in physiological and biological function of cells and molecules, and their relation to clinical medicine Autologinen (Autologous) Käytetään potilaan omia soluja Allogeeninen (Allogenic) Solut siirretään toisesta potilaasta toiselle potilaalle Xenogeneous Eläinperäinen materiaali (solu, proteiini etc.)

Käsitteiden selitys Graft Host Immunomodulation Scaffolds Siirre joka voi olla esim. Elin tai elimen osa joka siirretään toiselle potilaalle Host Henkilö jolle siirre siirretään Immunomodulation Immunijärjestelmän muokkaaminen (Immunosuppression) Scaffolds Kolmiuloitteinen ”rakennelma” joka pääsääntöisesti koostuu ECM komponenteista joka tarjoaa soluille kasvualustan. Siirretään solujen mukana kehoon.

Soluterapian/kantasolujen Historia Ensimmäinen todellinen verensiirto - verta lampaasta pojalle Mesenkymaalisten kantasolujen (hMSC) eristys ja kasvatus - Friedenstein et al Alkion kantasolujen eristys ja kasvatus - Thomson et al. Soluterapian 2. tuleminen - hMSCs (Osiris) 1400 1667 1901 1976 1978 1998 2000 2007 2009 Ensimmäinen verensiirto? Veriryhmät keksittiin  turvallinen verensiirto Ensimmäinen luuydinsiirto - Kersey et al. Soluterapian 1. tuleminen - Iho- ja rustotuotteet (DermaGraft, Carticel) - Regenerative medicine Human Induced Pluripotent stem cells - Takahashi et al.

Kantasolut www.nationalacademies.org/stemcells

Kantasolut Mikä kantasolu on? Mistä niitä löytyy? Solu joka voi: kopioida itseään (self-renew) Erilaistua Mistä niitä löytyy? Uskotaan löytyvän kaikkialta kehosta ja myös alkiosta Kaikki kehon erilaistuneet solut ovat peräisin kantasoluista Esiintyvyys kudoksissa matala Luuydin 1/100000 Mikä niiden tehtävä on? Kudosten uusiminen Verensolut uusiutuu 2,5 päivässä Ohutsuolenpinta 4-6 päivässä Iho 7-100 päivässä Maksa 400-500 päivää Sydän harvoin/ei ollenkaan Vaurioutuneen kudoksen korjaus

Kantasolut Luokittelu Erilaistumiskyvyn mukaan: Alkuperän mukaan: Totipotent (hedelmöityksessä ensimmäiset jakautuvat solut) Pluripotent (alkion kantasolut) Multipotent (mesenkymaaliset kantasolut) Unipotent (lihaksen sateliittisolut) Alkuperän mukaan: Aikuisen kantasolut Esiintyy useina erilaistumisasteina (progenitor cells) Alkion kantasolut Induced Pluripotent Stem cells (iPS)

Alkion Kantasolut

Alkion kantasolut Eristetään blastokystivaiheessa olevan alkion sisäsolumassasta Thomson et al. 1998 Pluripotentteja  kykenee erilaistumaan kehon kaikiksi soluiksi Saadaan yleensä keinohedelmöityshoidon yhteydessä Hoitoihin kelpaamattomat alkiot Suomessa suurin alkion kantasolututkimusta tekevä taho on REGEA Tampereella

Alkion kantasolut http://www.hyscience.com/archives/PluripotentStemCells.jpeg

Alkion kantasolut Tutkimuksen tilanne: 1998 lähtien ollut suuren mielenkiinnon alla Tutkittu erityisesti mahdollisena ratkaisuna sydän- ja hermostosairauksien hoitoon Huonosti uusiutuvien kudosvaurioiden hoito Sydäninfarkti Alzheimerin tauti, halvaantumiset jne. Ongelmana erilaistumisprosessin kontrollointi Teratomat Heikko erilaistumistehokkuus Erilaistumisen ohjaaminen Muita ongelmia Eettiset kysymykset Hyljintä reaktiot FDA:lta ensimmäinen lupa alkion kantasoluille kliiniseen kokeeseen kesällä 2009 http://i.livescience.com/images/freakyanimals_mouse_ears_02.jpg

Alkion kantasolut Käyttöä tutkimuksessa rajoittaa eettiset ja lainsäädännölliset tekijät Tiukka tieteellinen ja eettinen arviointi ennen hyväksyntää Vojnits and Breme. Toxicology 2010, DOI:10.1016/j.tox.2009.12.003

Induced pluripotent stem cells Uutena käsitteenä iPS (Induced Pluripotent Stem cells) solut Kehitys lähti liikkeelle alkion kantasolujen ja somaattisten solujen fuusiosta Cowan et al. 2005;Science 309: 1369-1373 Yu et al. 2007;Science 318: 1917-1920 Pluripotenssi markkereiden transfektio hiiren fibroblasteihin Oct4, Sox2, c-Myc, Klf4 Takahashi and Yamanaka 2006;Cell 126: 663-673 Ei kuitenkaan täysin samankaltaisia alkion kantasolujen kanssa Global gene-expression pattern and DNA metylaatio poikkesi hiiren alkion kantasoluihin verrattuna

Induced pluripotent stem cells Wernig et al. 2007;Nature 448:318-324 Onnistui tuottaan hiiren alkion kantasolujen kaltaisia iPS-soluja Takahashi et al. 2007;Cell 131:861-872, Takahashi et al. 2007;Nat Protoc. 2:3081-3089 Ensimmäiset ihmisen iPS-solut ihon fibroblasteista Etuna alkion kantasoluihin hylkimisreaktioiden välttäminen ja eettisyys Potilaan omat solut lähtömateriaalina

Induced Pluripotent Stem Cells (iPS) Somaattinen solu (esim ihon fibroblastit) Lisätään Oct3/4, Sox2, Klf4 ja C-Myc tranksriptiotekijät Uudelleen ohjelmoituja soluja, jotka alkion kantasolun kaltaisia Nagakawa et al. 2008. Nat. Biotec. Vol26(1): 101 In vitro solujen kasvatus

Aikuisen Kantasolut

Aikuisen Kantasolut Löytyy todennäköisesti kaikista kudoksista Sijaitsee erityisessä mikroympäristössä eli niche:ssä Tärkein tehtävä kehossa on kudosten uusiminen ja korjaus Erilaistumiskyvyltään rajoittuneempia Tunnetuimpia ovat mesenkymaaliset ja hematopoieettiset kantasolut Kantasolusysteemejä mm: Suolistossa Hermokudoksissa Maksassa ihossa

Aikuisen Kantasolut http://arthritis-research.com/content/figures/ar2514-1.gif

Aikuisen Kantasolut http://www.lifeethics.org/www.lifeethics.org/uploaded_images/Hematopoietic-Stem-Cells-10-07-779860.JPG

Aikuisen Kantasolut Niche tarjoaa oikean mikroympäristön alkukantaisille kantasoluille Solut ”hiljaisessa” tilassa Tietyn ärsykkeen saatuaan asymmetrinen jakautuminen Toinen tytärsolu esiastesolu joka aloittaa jakautumisen Solut aktiivisessa jakautumisvaiheessa Esiastesolut muuttuvat kypsemmiksi erilaistuneiksi soluiksi http://www.brh.co.jp/en/experience/journal/38/img/04ill_1.gif

Aikuisen Kantasolut Mesenkymaaliset kantasolut erilaistumiskyky Varmasti: Rasva, luu ja rusto Ristiriitaisia tuloksia: Hermosolut, lihassolut ja sydänlihassolut Erilaisia kriteereitä hMSC tunnistukseen Pintarakenteet, erilaistumiskyky, morfologia Kuitenkaan ei vielä tiedetä varmasti mitä soluja ne on (heterogeeninen populaatio in vitro viljelyissä) Immunomodulaatio Eivät exprssoi MHC luokan II proteiineja  ei hyljintä ongelmaa Omaavat immunosuppressiivisia ominaisuuksia Soluterapiasovellutuksia GVHD, Crohn’s disease, Sydäninfarkti Luu- ja rustovauriot

Aikuisen Kantasolut Mesenkymaaliset kantasolut Transformaatio Ristiriitaisia julkaisuja mesenkymaalisten kantasolujen transformaatiosta Puolesta: Rubio et al. 2008, Vastaan: Bernando et al. 2007 Ei samanlaista riskiä kuin alkion kantasoluilla (vrt. Teratoomat)

Aikuisen Kantasolut Tutkimuksen tilanne: Mesenkymaaliset kantasolut yhdessä hematopoieettisten kanssa eniten tutkittu kantasoluryhmä Kantasolusiirtoja tehty jo pitkän aikaa Luuydin siirtoja vuodesta 1978 Hematopoieettiset kantasolut leukemian hoidossa Lukuisia kliinisiäkokeita tehty meseillä Sydäninfarktit Luu- ja rustovauriot GVHD