Geschiedenis van stamcellen

Door Hidaya Aliouche, B.Sc.Reviewed by Dr. Tomislav Meštrović, MD, Ph.

De ontdekking van stamcellen begon in de jaren 1950 vanuit een ongebruikelijke bron – teratocarcinomen en tumoren die een verscheidenheid (of heterogene mix) van weefseltypen bevatten. Deze omvatten volledig gespecialiseerde, gedifferentieerde structuren zoals tanden en haar.

nobeastsofierce |

De observatie van kwaadaardige groei en transplanteerbaarheid suggereerde de aanwezigheid van een proliferatieve (sterk delende) en ongedifferentieerde (niet-gespecialiseerde en in staat tot het produceren van een scala van celtypen) cel. Deze cel werd embryonaal carcinoom (EC)-cel genoemd.

Een baanbrekend experiment toonde aan dat injectie van EC-cellen in de hersenen van volwassen muizen resulteerde in teratocarcinomen; dit leverde het concrete bewijs dat EC-cellen alle cellulaire bestanddelen van het teratocarcinoom kunnen produceren. Bevestigend bewijs voor hun vermogen om tumoren te vermeerderen en zichzelf te vernieuwen werd geleverd door hun vermogen om getransplanteerd te worden.

Kiemcellen en embryonale carcinoma cellen

De oorsprong van EC cellen is voornamelijk testiculair bij de mens en de muis. Leroy Stevens ontdekte dat de teratocarcinomen in 129 stammen van inteeltmuizen ontstonden uit kiemcellen, die van het sperma en de eicel. Paradoxaal genoeg geven kiemcellen geen aanleiding tot tumoren, noch differentiëren zij in andere celtypes.

Eicellen vertoonden een soortgelijke morfologie (vorm) als cellen die in het vroege embryo aanwezig zijn, hetgeen hun kiemceloorsprong bevestigde. Deze embryonale voorlopercellen bezitten het vermogen cellen te produceren van alle lichaamslijnen, de zogenaamde somatische cellen. Deze eigenschap wordt omschreven als pluripotentie, en dergelijke cellen konden in stand worden gehouden wanneer een monster van het teratocarcinoom in serie werd getransplanteerd.

Ontdekken van potentie

EC-cellen zijn als cellen in het vroege embryo die vóór de gastrulatie ontstaan. EC-cellen kunnen worden geëxpandeerd tot cellijnen, hetgeen in 1970 daadwerkelijk werd bereikt met culturen van testiculaire en embryonale teratocarcinomen.

Voor de succesvolle verklaring was het gebruik van fibroblasten nodig, die waren geïnactiveerd om mitotische deling te voorkomen. Deze cellen scheiden factoren af die de instandhouding, proliferatie en levensvatbaarheid van EC-cellen ondersteunen.

Verder vertoonden de EC-lijnen variabiliteit in hun vermogen tot differentiatie, een observatie die de hypothese opriep dat niet alle cellen pluripotent waren; meer in het bijzonder was er een verschil in het potentieel van de cel om verschillende gespecialiseerde (gedifferentieerde) celtypen te geven.

Deze eigenschap wordt potentie genoemd, waarvan er vier typen zijn, in de hiërarchische volgorde:

1. Totipotentie – de potentie om aanleiding te geven tot alle celtypen in het embryo en de volwassene (bijv.g. de bevruchte eicel), dus een totipotente cel kan het hele organisme doen ontstaan
2. Pluripotentie – het potentieel om cellen van alle lichaamslijnen te doen ontstaan, maar niet een heel organisme
3. Multipotentie – het vermogen van een cel om een beperkt aantal celtypen in het lichaam te doen ontstaan
4. Unipotentie – het vermogen van een cel om slechts één celtype te doen ontstaan

Uit deze zelfvernieuwende, ongedifferentieerde cellen kunnen terminaal gedifferentieerde cellen ontstaan. De wetenschappers Martin Evans en Gail Martin richtten zich in plaats daarvan op manieren om pluripotentie te behouden, waarvan we nu weten dat het het krachtigste celtype is. Zij ontdekten dat subklonen van pluripotente EC-cellen, gekweekt op een voedingslaag en zonder deze laag, een gemengde populatie van fibroblastcellen (gedifferentieerde cellen) produceerden, afgewisseld met nesten van ongedifferentieerde cellen.

Deze bevinding suggereerde dat EC-cellen door differentiatie hun eigen voedingsfibroblastcellen kunnen produceren en leidde daaruit af dat deze nodig moeten zijn om de pluripotente aard van deze cellen in stand te houden. Tegelijkertijd merkten Martin en Evans op dat het serum waarin de EC-cellen werden gesuspendeerd, verschilde in hun vermogen om de expansie van EC-cellen en hun vermogen tot differentiatie te ondersteunen. Dit leidde tot de pluripotentie, en vervolgens tot een betrouwbare kweekmethodologie om EC-cellen met behoud van pluripotentie te produceren en te vermeerderen.

Stamcellen als initiators van embryonale groei en ontwikkeling

Verder onderzoek van EC-cellen door Martin en Evans bracht aan het licht dat wanneer EC-cellen werden geaggregeerd, de ontstane kolonies structuren vormden die embryoïde lichamen werden genoemd met een specifieke embryonale identiteit als gevolg van hun differentiatiekenmerken.

De gelijkenis tussen de twee zette aan tot verder onderzoek; om te testen of de EC cellen konden bijdragen aan een embryo, werden de EC cellen geïnjecteerd in blastocysten (pre-embryo structuren die 5-6 dagen na de bevruchting worden gevormd) en de resultaten werden geanalyseerd.

In de meeste gevallen slaagden de EC cellen er niet in zich te integreren in het embryo, sommige produceerden tumoren of ontwikkelingsafwijkingen. Sommige pluripotente EC cellijnen koloniseerden echter het gastheerembryo, en vervolgens werden chimaeren geboren.

Chimaeren zijn organismen die twee verschillende sets DNA bevatten; in dit geval werden de muizen geproduceerd uit het DNA dat in de geslachtscellen was gecodeerd en het DNA van de EC cellen. Dit toonde aan dat een subset van EC-cellen de functie van normale embryocellen kon vervullen en kon werken in de context van de embryonale gastheeromgeving.

Naar een gezonde chimera

Het aandeel chimere muizen was echter gering. Deze bevinding, gekoppeld aan hun grote verschillen in potentie tussen lijnen, de ontwikkeling van chimere tumoren en veranderingen in hun genetische stabiliteit, zette aan tot het zoeken naar een andere bron van pluripotente cellen.

Een waarschijnlijke verklaring voor deze voorvallen was de onveranderlijke waarschijnlijkheid dat EC-cellen chromosomale anomalieën dragen. Alle resultaten suggereerden dat hun gelijkenis met embryo’s twijfelachtig was; meer in het bijzonder was hun vermogen om zich op een embryonale, pluripotente manier te gedragen afhankelijk van hun voorkomen in tumoren en hun inherente genetische afwijkingen.

In plaats daarvan bood het embryo zelf een minder problematische bron van pluripotente stamcellen. Evans en Martins gebruikten dezelfde voorwaarden voor het optimaal oogsten van EC-cellen op voedingslagen om met succes ongedifferentieerde cellijnen te oogsten uit blastocysten van muizen.

De resulterende cellen vertoonden een functionele gelijkenis met EC-cellen en konden teratocarcinomen produceren wanneer zij in volwassen muizen werden getransplanteerd. Dit suggereerde dat zij mogelijk in EC-cellen waren getransformeerd.

Om deze mogelijkheid uit te sluiten, stelde Evans in 1984 vast dat deze cellen konden bijdragen aan gezonde chimaeren, waarbij het DNA met succes via de kiembaan (de eicel en het sperma) was overgedragen. De pluripotente cellen, te verkrijgen uit een embryo, werden door meerdere delingen uitgebreid zonder te transformeren, en behielden hun eigen genetische samenstelling. Deze cellen staan tegenwoordig bekend als embryonale stamcellen (ESC’s).

Een decennium later werd door Matsui ontdekt dat primordiale kiemcellen (PGC’s) aanleiding konden geven tot proliferatieve stamcellen. Deze werden embryonale kiemcellen (EG) genoemd, en zijn, afgezien van hun oorsprong, vrijwel niet te onderscheiden van hun ES-cellen. Dit verklaart de kiemceloorsprong of teratocarcinomen – de kiemcellen werden geïnduceerd om zich in vivo om te vormen tot pluripotente stamcellen.

Toekomstperspectieven: stamceltherapie

Het vermogen van de genetische component van ES-cellen om via de kiembaan te worden overgedragen en behouden, biedt de mogelijkheid om genetische modificaties bij muizen in te voeren. Zij zijn ook vatbaar voor een reeks benaderingen van genetische manipulatie en kunnen worden uitgebreid; zo kunnen bijvoorbeeld cellen worden gescheiden die een zeldzame gebeurtenis hebben ondergaan, zoals homologe recombinatie, waarbij cellen een genetische verandering ondergaan in de vorm van uitwisseling tussen twee soortgelijke DNA-moleculen.

In 1989 werden ES-cellen met een gemanipuleerde genetische knock-out met succes gegenereerd. Deze “gene targeting” van ES-cellen is sindsdien verder uitgebreid. En terwijl het onderzoek in de jaren tachtig en het begin van de jaren negentig gericht was op genetische targeting, kwam eind jaren negentig veel inzicht in het waarom en het behoud van pluripotentie in ES-cellen.

Huidig zijn de moleculaire mechanismen die aan de ES-celtoestand ten grondslag liggen, blootgelegd. De voor het eerst gemelde isolatie van menselijke embryonale stamcellijnen (hESC’s) heeft de aandacht verlegd van muismodellen en heeft het onderzoek naar hun therapeutische implicaties mogelijk gemaakt. Op dit moment zijn hESC’s onmisbaar, en de resultaten van op hESC’s gebaseerde klinische proeven zullen een gouden standaard zetten voor toekomstige op stamcellen gebaseerde therapie.

In 2006 werd een doorbraak bereikt door voorwaarden te identificeren die cellulaire herprogrammering van volwassen somatische cellen mogelijk maken, zodat ze een stamcelachtige toestand kunnen aannemen. Dit staat nu bekend als geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPSC’s). Hun therapeutisch gebruik is potentieel groter dan dat van hESC’s, omdat deze cellen van de patiënt zelf kunnen worden genomen en vervolgens kunnen worden geherprogrammeerd, kunnen clinici het afstotingsprobleem vermijden dat wordt veroorzaakt door histocompatibiliteit.

Dit laatste verwijst naar het proces waarbij de donor verschillende antigenen bezit die aan het ontvangende gastheerimmuunsysteem het signaal geven dat de cel vreemd is en daarom leiden tot een immuunrespons om de vreemde cel te vernietigen. This is basically seen as organ rejection.

This additionally avoids the need for immunosuppressive treatment throughout the patient’s life to prevent this, and eliminates the ethical implications of hESCs, as iPSCs do not require an embryonic source for production. More research on the topic will definitely bring further progress in stem cell usage.

Written by

Hidaya Aliouche

Hidaya is a science communications enthusiast who has recently graduated and is embarking on a career in the science and medical copywriting. She has a B.Sc. in Biochemistry from The University of Manchester. She is passionate about writing and is particularly interested in microbiology, immunology, and biochemistry.

Citations