Stamcellernas historia

Av Hidaya Aliouche, B.Sc.Recenserad av Tomislav Meštrović, MD, Ph.D.

Fyndet av stamceller började på 1950-talet från en ovanlig källa – teratokarcinom och tumörer som innehåller en variation (eller heterogen blandning) av vävnadstyper. Dessa inkluderar helt specialiserade, differentierade strukturer som tänder och hår.

nobeastsofierce |

Observationen av malign tillväxt och transplantationsförmåga tydde på förekomsten av en proliferativ (starkt delande) och odifferentierad (icke-specialiserad och kapabel att producera en rad olika celltyper) cell. Denna cell fick namnet embryonalkarcinomcell (EC-cell).

Ett banbrytande experiment visade att injektion av EC-celler i hjärnan hos vuxna möss resulterade i teratokarcinom; detta gav konkreta bevis för att EC-celler kan producera alla cellulära beståndsdelar i teratokarcinom. Bekräftande bevis för deras förmåga att föröka tumörer och självförnyelse indikerades av deras förmåga att transplanteras.

Germceller och embryonala karcinomceller

Ursprunget för EC-celler är i första hand testikulärt hos människor och möss. Leroy Stevens upptäckte att teratokarcinom i 129 stammar av inavlade möss uppstod från könsceller, de från spermier och ägg. Paradoxalt nog ger könsceller inte upphov till tumörer och differentierar inte heller till andra celltyper.

EC-celler uppvisade en liknande morfologi (form) som celler som finns i det tidiga embryot, vilket bekräftade deras könscellsursprung. Dessa embryonala grundlagsceller besitter förmågan att producera cellerna i alla kroppslinjer, så kallade somatiska celler. Denna egenskap beskrivs som pluripotens, och sådana celler kunde bibehållas när ett prov av teratokarcinomet transplanterades seriellt.

Upptäckande av potens

EC-celler liknar celler i det tidiga embryot som förekommer före gastrulation. EC-celler kan expanderas till cellinje, vilket faktiskt lyckades 1970 med kulturer från testikel- och embryonala teratocarcinom.

Den framgångsrika förklaringen krävde att man använde fibroblaster som hade inaktiverats för att förhindra mitotisk delning. Dessa celler utsöndrar faktorer som stödjer underhåll, proliferation och livskraft hos EC-celler.

För övrigt uppvisade EC-linjerna variabilitet i sin förmåga att differentiera, en observation som föranledde hypotesen att inte alla celler var pluripotenta; mer specifikt fanns det en skillnad i cellens potential att ge olika specialiserade (differentierade) celltyper.

Denna egenskap kallas potens, av vilken det finns fyra typer, i hierarkisk ordning:

1. Totipotens – potentialen att ge upphov till alla celltyper i embryot och den vuxna (e.g. det befruktade ägget), en totipotent cell kan alltså ge upphov till hela organismen
2. Pluripotens – potentialen att ge upphov till celler från alla kroppslinjer, men inte en hel organism
3. Multipotens – en cells potential att ge upphov till ett begränsat antal celltyper i kroppen
4. Unipotens – en cells förmåga att ge upphov till endast en enda celltyp

Från dessa självförnyande, odifferentierade celler kan terminalt differentierade celler uppstå. Forskarna Martin Evans och Gail Martin fokuserade i stället på sätt att bevara pluripotens, som vi för närvarande vet är den mest potenta celltypen. De fann att subkloner av pluripotenta EC-celler när de odlades på ett matningsskikt, och i avsaknad av detta skikt, producerade en blandad population av fibroblastiska celler (differentierade celler) som varvades med bon av odifferentierade celler.

Detta fynd tydde på att EC-cellerna kunde producera sina egna matningsfibroblastceller genom differentiering och drog slutsatsen att dessa måste vara nödvändiga för att bibehålla dessa cellers pluripotenta natur. Samtidigt noterade Martin och Evans att det serum som EC-cellerna suspenderades i skiljde sig åt när det gällde förmågan att stödja EC-cellernas expansion och förmåga till differentiering. Detta ledde till pluripotens och därefter till en tillförlitlig odlingsmetodik för att producera och föröka EC-celler med bibehållen pluripotens.

Stamceller som igångsättare av embryonal tillväxt och utveckling

Martin och Evans vidare sonderingar av EC-cellerna avslöjade att när EC-cellerna aggregerades bildade de kolonier som uppstod strukturer som kallades för embryokroppar med specifik embryonal identitet på grund av deras differentieringsegenskaper.

Likheten mellan de två föranledde ytterligare undersökningar; för att testa om EC-cellerna kunde bidra till ett embryo injicerades EC-cellerna i blastocyster (strukturer före embryot som bildas 5-6 dagar efter befruktningen) och resultaten analyserades.

I de flesta fall misslyckades EC-cellerna med att inkorporera sig i embryot, vissa producerade tumörer eller utvecklingsavvikelser. Vissa pluripotenta EC-cellinjer koloniserade dock värdembryot och därefter föddes chimärer.

Chimärer är organismer som innehåller två olika uppsättningar av DNA; i det här fallet producerades mössen från det DNA som kodades i könscellerna och DNA från EC-cellerna. Detta visade att en undergrupp av EC-cellerna kunde fylla funktionen av normala embryoceller och arbeta inom ramen för den embryonala värdmiljön.

Till en frisk chimär

Däremot var andelen chimära möss dålig. Detta konstaterande, tillsammans med deras stora skillnader i styrka mellan linjerna, utvecklingen av chimära tumörer och förändringar i deras genetiska stabilitet, föranledde utforskandet av en annan källa till pluripotenta celler.

En trolig förklaring till dessa förekomster var den oföränderliga sannolikheten att EC-celler bär på kromosomala anomalier. Alla resultat tydde på att deras likhet med embryon var tvivelaktig; mer specifikt var deras förmåga att agera på ett embryoliknande, pluripotent sätt villkorad av deras förekomst i tumörer och deras inneboende genetiska avvikelser.

Istället gav själva embryot en mindre problematisk källa till pluripotenta stamceller. Evans och Martins använde samma villkor för optimerad skörd av EC-celler på feederlager för att framgångsrikt skörda odifferentierade cellinjer från blastocyster från mus.

De resulterande cellerna hade en funktionell likhet med EC-celler och kunde ge upphov till teratokarcinom när de transplanterades till vuxna möss. Detta tydde på att de kunde ha omvandlats till EG-celler.

För att eliminera denna möjlighet fastställde Evans 1984 att dessa celler kunde bidra till friska chimärer, där DNA:t framgångsrikt hade överförts genom könscellerna (ägget och spermien). De pluripotenta cellerna, som kunde erhållas från ett embryo, expanderades genom flera divisioner utan att omvandlas och behöll sin egen genetiska sammansättning. Dessa celler är för närvarande kända som embryonala stamceller (ESC).

Tio år senare upptäckte Matsui att primordiala könsceller (PGC) gav upphov till proliferativa stamceller. Dessa kallades för embryonala könsceller (EG-celler) och är praktiskt taget omöjliga att skilja från deras ES-celler, bortsett från deras ursprung. Detta förklarade könscellernas ursprung eller teratokarcinom – könscellerna inducerades att omvandlas till pluripotenta stamceller in vivo.

Framtidsperspektiv: stamcellsterapi

Förmågan för den genetiska komponenten i ES-cellerna att överföras och bibehållas genom könscellerna ger möjlighet att införa genetiska modifieringar hos möss. De är också mottagliga för en rad olika metoder för genetisk manipulering och kan utvidgas, t.ex. med funktioner som gör det möjligt att separera celler som har genomgått sällsynta händelser, t.ex. homolog rekombination, där celler genomgår en genetisk förändring i form av utbyte mellan två likartade DNA-molekyler.

In 1989 lyckades man generera ES-celler med en konstruerad genetisk knockout. Denna genmålning av ES-celler har sedan dess utvidgats. Och medan forskningen under 1980-talet och det tidiga 1990-talet fokuserade på genetisk inriktning, gjorde mycket av förståelsen av varför och pluripotens bibehålls i ES-celler framsteg i slutet av 1990-talet.

För närvarande har de molekylära mekanismer som ligger till grund för ES-celltillståndet avslöjats. Den första rapporterade isoleringen av mänskliga embryonala stamcellslinjer (hESC) har flyttat fokus från murinmodeller och gjort det möjligt att utforska deras terapeutiska implikationer. För närvarande är hESC oumbärliga, och resultaten av hESC-baserade kliniska prövningar kommer att utgöra en guldstandard för framtida stamcellsbaserad terapi.

Under 2006 gjordes ett genombrott genom att man identifierade förhållanden som skulle möjliggöra cellulär omprogrammering av vuxna somatiska celler så att de kunde anta ett stamcellsliknande tillstånd. Detta är nu känt som inducerade pluripotenta stamceller (iPSC). Deras terapeutiska användning är potentiellt större än för hESCs, eftersom dessa celler kan tas från patienten själv och sedan omprogrammeras, vilket gör att kliniker kan undvika problemet med avstötning som orsakas av histokompatibilitet.

Det sistnämnda avser den process där donatorn har olika antigener som signalerar till mottagarens immunsystem att cellen är främmande och som därför leder till ett immunsvar för att förstöra den främmande cellen. 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