PMC

Deze lezing is gebaseerd op een recent overzicht.

Het is bekend dat diabetes wereldwijd steeds meer voorkomt, en de gevolgen voor de kosten van de gezondheidszorg en voor het menselijk lijden, de morbiditeit en de mortaliteit zullen zich vooral doen gevoelen in de ontwikkelingslanden, waaronder India, China en de landen in Afrika. Er worden in hoog tempo nieuwe geneesmiddelen ontwikkeld en de laatste paar jaar zijn er verschillende nieuwe klassen verbindingen voor de behandeling van diabetes bijgekomen, zoals glucagon-like peptide (GLP-1)-mimetica, dipeptidyl-peptidase-4 (DPP-4)-remmers en natriumglucosetransporter-2 (SGLT2)-remmers. Nieuwe chirurgische behandelingen zijn ook steeds meer beschikbaar en worden steeds meer aangeprezen als effectieve therapieën voor diabetes. Gastrische restrictiechirurgie, maagbypasschirurgie, gelijktijdige pancreas-niertransplantatie, pancreas- en eilandjestransplantatie zijn de afgelopen jaren allemaal geïntroduceerd. Om het trauma van een grote operatie te vermijden, zijn er veel studies verricht naar de transplantatie van geïsoleerde eilandjes die uit een kadaverpancreas zijn verwijderd. Bemoedigend was het “Edmonton-protocol” dat in 2000 door Shapiro en collega’s in de New England Journal werd beschreven. De eilandjes werden in de poortader geïnjecteerd en patiënten, vooral die met een gevaarlijke hypoglykemie, werden behandeld voordat zij ernstige complicaties van diabetes hadden ontwikkeld, vooral niercomplicaties. Hoewel de eerste resultaten veelbelovend waren en ongeveer 70% van de patiënten na twee jaar geen insuline-injecties meer nodig had, waren de meeste van deze patiënten na vijf jaar verslechterd en hadden insulinesupplementen nodig, ondanks het feit dat sommigen meer dan één transplantatie van eilandjes hadden ontvangen. In recentere series patiënten heeft de Edmonton-groep betere resultaten op lange termijn gemeld met het gebruik van het monoklonale anti-lymfocyten antilichaam Campath 1H, dat als inductiemiddel werd toegediend; 45% van de patiënten was na vijf jaar insuline-onafhankelijk en 75% had aantoonbaar C-peptide.

Echter, cadavarische pancreata en eilandjes wedijveren om dezelfde bron en zijn beperkt in aantal, zodat geen van beide behandelingen gemakkelijk aan de overgrote meerderheid van diabetespatiënten kan worden aangeboden. Sommigen hebben geprobeerd een alternatieve bron te gebruiken, bijvoorbeeld ingekapselde eilandjes van neonatale of volwassen varkens. Dit is nog zeer experimenteel en zal een ver alternatief zijn met veel technische en mogelijk ethische obstakels die moeten worden overwonnen.

Meer recent, met de successen in de ontwikkeling van pluripotente volwassen stamcellen (van Yamanaka, die de Nobelprijs voor geneeskunde 2012 kreeg voor de ontwikkeling van geïnduceerde pluripotente stamcellen – iPSC’s), zijn nieuwe benaderingen geprobeerd om een methode te vinden die toegankelijker en beschikbaarder zou kunnen zijn. Veel hoop werd aanvankelijk ontleend aan het onderzoek naar embryonale stamcellen (ESC), aangezien deze cellen ertoe kunnen worden overgehaald zich te vermenigvuldigen en te ontwikkelen tot om het even welk weefsel, maar het proces was duur en het probleem van de vorming van teratomen uit deze stamcellen bleek uiterst moeilijk te overwinnen. Veel van de belangrijke factoren in verband met de foetale ontwikkeling worden niet begrepen en kunnen niet worden gereproduceerd. Er is echter enige vooruitgang geboekt en (af en toe) zijn cellen overgehaald om insuline af te scheiden, maar tot dusver zijn de therapeutische toepassingen zeer gering geweest.

Wetenschappers beseffen nu dat het overhalen van een cel om insuline te produceren slechts één stap is in wat een lange en moeilijke weg kan zijn. Eilandjescellen zijn sterk gespecialiseerd om niet alleen een basale afgifte van insuline te hebben, maar ook om snel te reageren op veranderingen in de bloedglucoseconcentratie. Bij insuline is het proces en de regulering van het uitschakelen van de secretie even belangrijk als het inschakelen ervan.

Er zijn verschillende benaderingen gevolgd met verschillende uitgangspunten. De stamcel reproduceert zichzelf en kan zich vervolgens ook asymmetrisch delen en een ander celtype vormen: Dit staat bekend als differentiatie. Hoewel aanvankelijk werd gedacht dat ze alleen uit embryo’s beschikbaar waren, kunnen niet-embryonale stamcellen nu zonder al te veel moeite worden verkregen uit neonataal weefsel, de navelstreng, en ook uit een verscheidenheid van volwassen weefsels, waaronder beenmerg, huid en vet. Deze stamcellen kunnen worden geëxpandeerd en gedifferentieerd, maar hun repertoire is beperkt in vergelijking met dat van embryonale stamcellen: oligo- of pluripotente in tegenstelling tot toti-potente embryonale stamcellen. Nog recenter is er veel belangstelling voor het proces van directe celtransdifferentiatie, waarbij een toegewijde en volledig gedifferentieerde cel, bijvoorbeeld een levercel, rechtstreeks wordt veranderd in een ander celtype, bijvoorbeeld een bètacel van een eilandje, zonder inductie van de-differentiatie terug naar een stamcelstadium.

Yamanaka slaagde er in 2006 in pluripotente stamcellen te produceren uit neonatale en volwassen fibroblastculturen van muizen door een cocktail van vier gedefinieerde factoren toe te voegen. Dit leidde tot een reeks andere studies waarin het proces verder werd ontwikkeld en waarvan werd aangetoond dat het kon worden herhaald met zowel menselijk weefsel als laboratoriummuizen. Door het gebruik van iPS-cellen werden de ethische beperkingen van het gebruik van menselijke embryo’s vermeden, maar er zijn nog andere problemen en hinderpalen geweest. Er zijn steeds meer berichten dat iPS-cellen antigenisch worden voor een autologe of isologe gastheer, en de cellen kunnen DNA-afwijkingen accumuleren en zelfs een epigenetisch geheugen van het celtype van oorsprong behouden en zo de neiging hebben om terug te keren. Net als embryonale stamcellen kunnen iPS-cellen teratomen vormen, vooral als de differentiatie niet volledig is.

Desondanks is er zeer weinig succes geboekt bij het sturen van de differentiatie van iPSC’s tot de vorming van islet-bètacellen in voldoende hoeveelheid, die afscheiden en stoppen met afscheiden als reactie op veranderingen in de bloedglucosespiegel.

Een andere benadering die is uitgeprobeerd, is het combineren van gentherapie met stamcellen. Er is enige vooruitgang geboekt bij pogingen om het gewenste insulinegen tot expressie te brengen in primitievere ongedifferentieerde cellen door stamcellen in vitro met differentiatiefactoren te coaxeren en vervolgens door rechtstreekse gentransfectie met behulp van plasmiden of een virale vector. Wij, en anderen, hebben een menselijk insulinegenconstruct gebruikt en ex vivo of in vivo in cellen ingebracht door directe elektroporatie (in ex vivo cellen uiteraard) of door virale vectoren. Het adenovirus, het adeno-geassocieerd virus en verschillende retrovirussen zijn het meest bestudeerd, vooral het Lentivirus. Elke vorm van genetische manipulatie doet echter vrezen, niet alleen voor infectie door het virus, maar ook voor het ontmaskeren van onco-genen, hetgeen tot kwaadaardigheid kan leiden, en er zijn strenge voorschriften hoe te werk te gaan om deze risico’s te vermijden.

Wij zijn geïnteresseerd in stamcellen uit de navelstreng en in mesenchymale stamcellen als doelwit voor gecombineerde stamcel- en gentherapie. Deze cellen kunnen op een redelijk gemakkelijke en reproduceerbare manier worden verkregen uit anders afgedankte navelstreng, of gemakkelijk toegankelijk beenmerg, waarbij de cellen met behulp van diverse standaardtechnieken worden geselecteerd. Vet, amnion en navelstrengbloed zijn eveneens bronnen waaruit mesnechymale stamcellen kunnen worden verkregen. Na een proliferatieve fase lijken de cellen op een tapijt van fibroblasten, die zich kunnen differentiëren tot bot-, kraakbeen- of vetcellen. Hoewel mesenchymale stamcellen uit de verschillende genoemde bronnen er ongeveer hetzelfde uitzien, zijn hun differentiatiemogelijkheden eigenaardig en verschillend, waardoor het ongepast en moeilijk is ze te beschouwen als een uniforme bron van doelcellen. Neonatale amnioncellen en cellen uit de navelstreng hebben een lage immunogeniciteit en brengen geen HLA klasse II antigenen tot expressie. Zij scheiden ook factoren af die immuunreacties remmen, bijvoorbeeld oplosbaar HLA-G. Hoewel de immunogeniciteit aanzienlijk is verminderd, zijn zij nog steeds niet autoloog en blijft er dus een risico van afstoting van het transplantaat. Zij hebben het voordeel dat zij in grote aantallen kunnen worden vermenigvuldigd, ingevroren en opgeslagen en kunnen worden gebruikt bij patiënten die reeds immunosuppressieve middelen nodig hebben, bijvoorbeeld bij niertransplantaties.

In Singapore hebben onze studies van uit de navelstreng afgeleide amnioncellen met enig succes uitdrukking van insuline- en glucagongenen opgeleverd, maar weinig of geen secretie van insuline in vitro. Samen met insuline-gen-transfectie in vitro, was er na peritoneale transplantatie in sterptozotocine-geïnduceerde diabetische muizen enige verbetering van de glucosespiegel. Onze collega’s in Singapore hebben een ander model gebruikt met autologe hepatocyten van door streptozotocine geïnduceerde diabetische varkens. Deze afgescheiden hepatocyten werden met succes ex-vivo getransfecteerd met een menselijk genconstruct voor insuline door middel van elektroforese, waarna de cellen rechtstreeks in het leverparenchym werden geïnjecteerd met behulp van meerdere afzonderlijke injecties. De varkens genazen tot negen maanden lang van hun diabetes – wat een opmerkelijke prestatie is. Aangezien het om autotransplantaties ging, waren er geen immunosuppressieve geneesmiddelen nodig, maar werden de levercellen verkregen uit grote open chirurgische biopsies. Deze noodzaak van chirurgische verwijdering van leverweefsel zou de toepasbaarheid beperken, maar is niettemin een goede “proof of concept”-studie geweest. In de context van auto-immuun-diabetes is het goed mogelijk dat het risico van terugkerende ziekte blijft bestaan, tenzij het doelwit van de auto-immuunaanval kan worden gedefinieerd en geëlimineerd. In deze varkensexperimenten werd gebruik gemaakt van het humane insulinegen met een glucose-sensitieve promotor EGR-1. Er was geen virus bij betrokken, en de plasmide integreert niet. Splitsing van de getransfecteerde cel zou de genactiviteit verdunnen, maar grote aantallen plasmiden kunnen goedkoop worden geproduceerd. Dezelfde groep heeft met succes beenmergmesenchymale stamcellen getransfecteerd met het menselijke insulinegen plasmide met behulp van dezelfde EGR-1 promotor en elektroforese. Dit gen genas diabetische muizen na directe intra-hepatische en intra-peritoneale injectie.

Tot slot moet men voorzichtig zijn bij het interpreteren van de resultaten van deze en andere rapporten over cel- en gentherapie voor diabetes. In gene transfection and/or transplantation of insulin-producing cells or clusters in the diabetic rodent, there have been many reports in the literature, but only a few of these claims have been reproduced in independent laboratories. We have suggested the need to satisfy “The Seven Pillars of Credibility” as essential criteria in the evaluation of claims of success in the use of stem cell and/or gene therapy for diabetes.

1. Cure of hyperglycemia

2. Response to glucose tolerance test

3. Evidence of appropriate C-peptide secretion

4. Weight gain

5. Prompt return of diabetes when the transfecting gene and/or insulin producing cells are removed

6. No islet regeneration of stereptozotocin-treated animals and no re-generation of pancreas in pancreatectomized animals

7. Presence of insulin storage granules in the treated cells