Nagroda Nobla w dziedzinie medycyny lub fizjologii w roku 2012 prof. dr hab. med. Marek Sanak

Zakład Biologii Molekularnej i Genetyki Klinicznej II Katedry Chorób Wewnętrznych Collegium Medicum Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie
Skróty: iPSC – indukowane pluripotentne komórki macierzyste

W dniu 8 października 2012 Królewski Karoliński Instytut Medyczno‑Chirurgiczny ogłosił tegorocznych laureatów Nagrody Nobla w dziedzinie medycyny lub fizjologii. Zostali nimi Sir John Gurdon i Shinya Yamanaka, naukowcy, których największe odkrycia dzieli ponad 40 lat. John Gurdon w 1962 roku wykonał eksperyment, w którym do oocytu żaby wprowadził jądro komórki pobranej z nabłonka i uzyskał rozwój jaja do etapu kijanki. Shinya Yamanaka w roku 2006 odkrył zestaw czynników transkrypcyjnych – białek, które zmusiły komórkę skóry do odróżnicowania się aż do etapu komórki macierzystej. Przyznanie Nagrody Nobla tym dwóm naukowcom nie było zaskoczeniem, ponieważ w 2009 roku obaj otrzymali Nagrodę Laskera, za te same odkrycia.1 Prowadzone przez nich badania łączy wspólny element, którym są białka obecne w cytoplazmie oocytu. Powodują one nabycie przez tę komórkę cech zwanych pluripotencją. Słowo to oznacza możliwość różnicowania się komórki zarodka w kierunku każdej z tkanek organizmu. Yamanaka uzyskane w drodze eksperymentu komórki nazwał indukowanymi pluripotentnymi komórkami macierzystymi (induced pluripotent stem cells – iPSC). Poza tym że odznaczają się zdolnością do różnicowania w kierunku dowolnej tkanki, komórki macierzyste stanowią populację samoodnawialną. Oznacza to, że nie są ograniczone liczbą podziałów komórkowych i nie wykazują cech starzenia się.

O medycynie regeneracyjnej opartej na wykorzystaniu komórek macierzystych dyskutuje się w medycynie od wielu lat.2,3 Trudno jest wskazać autora odkrycia komórek macierzystych. Zapewne z tej przyczyny Komitet Noblowski nie skorzystał z możliwości uhonorowania trzeciej osoby Nagrodą. Dwóch Kanadyjczyków, Ernest McCulloch i James Till, w 1963 odkryło w szpiku kostnym myszy komórki zdolne do tworzenia kolonii i regeneracji szpiku u śmiertelnie napromienionych zwierząt. Historia komórek macierzystych sięga jednak głębszej przeszłości. Termin ten w języku niemieckim (Stammzelle) został zaproponowany w 1868 roku przez Ernsta Haeckla, komórki macierzyste były wymieniane jako szpikowe źródło hematopoezy przez Aleksandra Maksymowa w 1908 roku i znalazły się na schemacie hematopoezy zaproponowanym przez zmarłego w 1916 roku Artura Pappenheima. Florence Sabin z Instytutu Rockefellera w Nowym Jorku opisała w 1932 roku eksperymentalne uszkodzenie komórek macierzystych szpiku przy użyciu radioaktywnego chlorku cezu. Jest to zatem odkrycie, do którego przyczyniło się wiele osób, i zajęło ponad 100 lat. Dlaczego właśnie Gurdon i Yamanaka otrzymają po 600 tysięcy dolarów nagrody?

Królewski Karoliński Instytut Medyczno‑Chi­rurgiczny w Sztokholmie docenił poprawne ujęcie problemu badawczego przez Gurdona i jego rozwiązanie przez Yamanakę. Zróżnicowana komórka tkanki dzieli się, by regenerować fizjologiczną utratę lub uszkodzenie tkanki. Jej jądro komórkowe ma komplet informacji genetycznej, jednakże większość genów pozostaje „wyciszona”. Nie pozwala to zmienić losu komórki i podjąć podziałów komórkowych w celu odtworzenia innych struktur niż te, z których się wywodzi. W ośrodkowym układzie nerwowym jest najgorzej. Poza niewielkimi obszarami, gdzie zachowane są komórki zdolne do podziałów, czyli w hipokampie i pod wyściółką komór bocznych mózgu, neurony się nie dzielą. Gurdon udowodnił, że przyczyna takiego stanu leży w cytoplazmie. Po umieszczeniu jądra zróżnicowanej komórki w oocycie następuje jej odróżnicowanie do stanu przypominającego wczesne komórki zarodka, a następnie podjęcie podziałów i różnicowania się – procesów zastrzeżonych wyłącznie dla komórek zarodka. Yamanaka obudził nadzieję praktycznego wykorzystania komórek macierzystych. Przed jego odkryciem podejrzewano, że komórka potrzebuje co najmniej 100 różnych białek, aby cofnąć się w ontogenetycznej skali czasu do etapu macierzystego. Yamanaka wytypował 64 najlepszych kandydatów zarodkowych białek, a następnie wskazał na 4 czynniki transkrypcyjne, które tego procesu dokonują. Obecnie wiemy, że wystarczą 3 białka o aktywności czynników transkrypcyjnych, by w ciągu kilku tygodni uzyskać komórki macierzyste z komórek zróżnicowanych.

Podstawowymi zaletami iPSC są: 1) pełna zgodność w zakresie antygenów tkankowych z organizmem, z którego pobrano komórki zróżnicowane oraz 2) uwolnienie eksperymentów z iPSC od etycznych zarzutów, towarzyszących manipulacjom komórkami zarodkowymi. Ekspresję wybranych czynników transkrypcyjnych w komórkach pobranych od chorego wywołuje się tylko na czas do kilkunastu dni. Najwygodniej jest wprowadzić do komórki pozajądrowe minigeny zawarte w plazmidach, pod ich wpływem następuje rozwój kolonii indukowanych komórek macierzystych. Ich wszczepienie do organizmu dawcy byłoby udane, ponieważ są autologiczne. Do rozwiązania pozostał jednak problem opanowania potencjału, jaki mają komórki pluripotentne, a także ich zmiennej immunogenności związanej z ekspresją białek nieobecnych na innych komórkach. Głównym zagrożeniem jest osiedlenie się komórek macierzystych w niepożądanych miejscach organizmu i rozwój potworniaków. W modelu mysim potworniaki są kryterium jakości indukowanych komórek macierzystych oraz dowodem ich pluripotencji. Próba podania komórek macierzystych u człowieka skończy się rozrostem guza o utkaniu potworniaka, gdyż komórki macierzyste podejmą dalsze podziały, a ich różnicowanie się będzie bezładne. Ostatni etap badań mający wskazać, jak ukierunkować los komórki macierzystej, by zregenerowała pojedynczy narząd i zaprzestała swoich podziałów, wydaje się możliwy do pokonania, gdyż badania nad iPSC toczą się bardzo wartko. Nowe możliwości ukierunkowania rozwoju komórek macierzystych, zwane programowaniem komórki dają nadzieję na rozwiązanie tego problemu.4 Są też dowody, że można niekiedy wykorzystać rezydujące w tkankach komórki macierzyste, które w znacznym stopniu utraciły swoją pluripotencję, a mimo to pozostały atrakcyjne dla celów medycyny regeneracyjnej. Takie komórki występują na przykład w mezenchymie więzadeł okołozębowych, również na korzeniach zębów mlecznych i zębów mądrości. Można je namnożyć, a po wszczepieniu różnicują się jedynie do osteoblastów i fibroblastów odtwarzających kość gąbczastą i więzadła.

John Gurdon urodził się 1933 roku w Wielkiej Brytanii. Ukończył Eton College, gdzie jego nauczyciel wystawił mu negatywną opinię co do przyszłej kariery naukowca – był ostatni z biologii na liście 250 uczniów. Nie przeszkodziło to jednak Gurdonowi ukończyć studiów z zoologii w Oksfordzie, a następnie po stażach w amerykańskim California Institute of Technology wrócić do macierzystej uczelni. Po kilku latach zmienił miejsce pracy na Cambridge, gdzie działa do dzisiaj. W 1995 roku otrzymał tytuł szlachecki. Obecnie kieruje instytutem swojego imienia – Gurdon Institute i nadal bada mechanizmy różnicowania się komórek.

Shinya Yamanaka urodził się 1962 roku w Osace. Ukończył Szkołę Medyczną w Kobe i rozpoczął specjalizację z chirurgii ortopedycznej. Wytrwał w klinice 2 lata, a jego mizerne zdolności manualne są do tej pory wspominane przez kolegów z Państwowego Szpitala w Osace. Po 3 latach pracy na tamtejszym Uniwersytecie przeniósł się do Instytutu Nauki i Technologii w Narze, gdzie zajął się badaniem komórek zarodkowych. Jego kariera naukowa nabrała rozpędu. Obecnie Yamanaka jest profesorem Uniwersytetu w Kioto, natomiast badania naukowe prowadzi na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Francisco. Szczególnie ważnym tematem jego bieżących eksperymentów jest rozwiązanie problemu regeneracji uszkodzeń ośrodkowego układu nerwowego, co można interpretować jako ukłon w kierunku niedoszłej specjalizacji. W udzielonym kalifornijskiej telewizji wywiadzie wyraził nadzieję, że zajmie mu to nie więcej niż 5 lat.

Próby regeneracji ośrodkowego układu nerwowego z wykorzystaniem komórek macierzystych były już podejmowane od 2001 roku. U chłopca, któremu wszczepiono neuronalne komórki macierzyste z powodu wrodzonej choroby genetycznej (ataksji‑teleangiektazji), rozwinęły się po 4 latach wieloogniskowe guzy o mieszanym utkaniu neuronów i astrocytów, wywodzące się z wszczepionych komórek.5 W innym przypadku powikłaniem terapii komórkami macierzystymi była białaczka limfoblastyczna. Wyniki te sugerują, że należy zaczekać z dalszymi eksperymentami terapeutycznymi do czasu, gdy Shinya Yamanaka dotrzyma obietnicy.

PIŚMIENNICTWO

1. Sanak M.: Nagroda Alberta Laskera za rok 2009 w dziedzinie podstawowych badań medycznych, czyli jak przeprogramować komórki. Med. Prakt., 2010; 1: 120–122
2. Sanak M.: Indukowane pluripotentne komórki macierzyste – nadzieja medycyny regeneracyjnej. Med. Prakt., 2008; 3: 161–164
3. Sanak M.: Nowe możliwości programowania komórkowego w medycynie regeneracyjnej. Med. Prakt., 2011; 11: 136–139
4. Sanak M.: MikroRNA w regeneracyjnej terapii komórkowej. Med. Prakt., 2011; 12: 119–122
5. Amariglio N., Hirshberg A, Scheithauer B.W. i wsp.: Donor‑derived brain tumor following neural stem cell transplantation in an Ataxia Teleangiectasia patients. PLOS Med., 2009; 6: e1 000 029

Opublikowano w miesięczniku Medycyna Praktyczna 2012/12