Stem Cells PDF

4 STAMCELLEN 4.1 TOTIPOTENTE STAMCELLEN 4.2 PLURIPOTENTE STAMCELLEN 4.2.1 EMBRYO'S 4.2.2 FOETUS 4.2.3 THERAPEUTISCH KLONEN 4.3 MULTIPOTENTE STAMCELLEN 4.4 UNIPOTENTE STAMCELLEN 4.5 GEÏNDUCEERDE PLURIPOTENTE STAMCELLEN (IPS-CELLEN), PLURIPOTENT 4.6 DE TOEPASSINGEN VAN STAMCELLEN 4.6.1 LEUKEMIE 4.6.2...

4 STAMCELLEN 4.1 TOTIPOTENTE STAMCELLEN 4.2 PLURIPOTENTE STAMCELLEN 4.2.1 EMBRYO'S 4.2.2 FOETUS 4.2.3 THERAPEUTISCH KLONEN 4.3 MULTIPOTENTE STAMCELLEN 4.4 UNIPOTENTE STAMCELLEN 4.5 GEÏNDUCEERDE PLURIPOTENTE STAMCELLEN (IPS-CELLEN), PLURIPOTENT 4.6 DE TOEPASSINGEN VAN STAMCELLEN 4.6.1 LEUKEMIE 4.6.2 DIABETES 4.6.3 BOTBREUKEN 4.6.4 HOORNVLIES 4.6.5 HARTINFARCT 4.6.6 ZIEKTE VAN PARKINSON 4.7 WETGEVING 4.7.1 EUROPA 4.7.2 MAATSCHAPPELIJKE CONSEQUENTIES 4.8 STAMCELBANKEN 4.9 TOEKOMST 2 3 4 4 4 5 5 6 6 7 7 7 8 8 8 9 9 9 9 9 10 1 4 Stamcellen Een stamcel is een cel die in staat is om in een ander celtype te veranderen (differentiëren). Afhankelijk van het type stamcel heeft deze meer of minder mogelijkheden om tot verschillende celtypes te differentiëren. Naar afnemende veelzijdigheid worden vier differentiatie-graden van stamcellen onderscheiden: • totipotente stamcellen • pluripotente stamcellen • multipotente stamcellen • unipotente stamcellen Een embryo bestaat in eerste instantie enkel uit totipotente stamcellen. Later gaan deze zich specialiseren en vormen ze cellen met elk een eigen functie. Deze gespecialiseerde cellen kunnen daarna geen andere functies meer vervullen en ze kunnen ook nooit meer teruggaan 2 in hun ontwikkeling om weer stamcellen te vormen. Als de celfunctie deling toestaat worden door deling alleen soortgelijke of nog sterker gespecialiseerde cellen gevormd. In een gewone (somatische) cel worden de telomeer-sequenties bij elke deling een stukje korter, omdat bij afwezigheid van het enzym telomerase het laatste stukje chromosoom bij de deling verloren gaat. Wanneer er uiteindelijk niets meer van de telomeren over is, gaat de cel in delingsrust of sterft ze af (celdood). Als de telomeren op zijn, zou immers bij elke volgende celdeling een stukje cruciaal DNA verdwijnen. Stamcellen beschikken echter wél over het enzym telomerase, dat in staat is na elke deling het verloren stukje telomeer weer bij te maken. Bron: http://www.vib.be/nl/mens-en-gezondheid/Pages/Stamcellen.aspx 4.1 Totipotente stamcellen Wanneer een zaadcel versmelt met een eicel, ontstaat een zygote. Een zygote is een voorbeeld van een totipotente stamcel; deze cel is namelijk in staat om (in het juiste milieu) uit te groeien tot een compleet organisme (alle 220 verschillende cellen) inclusief het extraembryonaal weefsel zoals placenta, moederkoek,... De acht blastomeren die ontstaan door klievingdelingen van de zygote zijn ook totipotent. Totipotentie is heel moeilijk aan te tonen bij humane stamcellen. Bij muizencellen is dit gemakkelijker: men injecteert een blastocyste met de vermoedelijk totipotente stamcellen die een zichtbare of een eenvoudig te detecteren afwijking heeft, zoals albinisme. Wanneer het blastocyst zich verder ontwikkelt, kan zich een compleet individu vormen, kan men gemakkelijk achterhalen of de totipotente stamcellen zijn meegegroeid tot allerlei weefsel. Zo'n muis noemt men chimere muis; het spreekt voor zich dat het bestaan van een chimere mens ethische vragen oproept. 3 4.2 Pluripotente stamcellen Pluripotente stamcellen kunnen differentiëren tot cellen van alle drie de kiemlagen van het embryo, maar niet meer tot extra-embryonaal weefsel, zoals amnion en chorion (zie ook celdifferentiatie). Er zijn verschillende bronnen mogelijk voor pluripotente stamcellen: 4.2.1 Embryo's Blastocyst Na de bevruchting begint de zygote zich te delen, die eerste delingen zijn klievingen. Na drie dagen bestaat de celklomp uit acht niet-gedifferentieerde cellen; het morulastadium. Deze cellen delen echter verder: wanneer ze het 32-cellig morulastadium bereikt, wijken de cellen uiteen waardoor een holte ontstaat, de blastula. De buitenste cellaag rondom de blastulaholte noemt men de trofoblast. Het geheel noemen we de blastocyst. De trofoblast ontwikkelt zich later tot de ondersteunde weefsels zoals de placenta. Later kunnen we in die celmassa de kiemschijf met het ectoderm, mesoderm en het endoderm kiemlaag onderscheiden, hier start de orgaanvorming of de organogenese. In 1998 isoleerde Dr. Thomson (Universiteit van Wisconsin) voor het eerst embryonale stamcellen uit de binnenste celmassa van menselijke embryo’s in het blastocyst stadium. Dr. Thomson werkte met restembryo’s afkomstig van ivf-klinieken en cultiveerde hiermee de eerste pluripotente stamcellijn. Sindsdien zijn er wereldwijd meer dan 400 verschillende stamcellijnen geïsoleerd. Deze embryonale stamcel lijnen (embryonic stem cells of ES) hebben twee bijzondere eigenschappen. Afhankelijk van de kweekcondities kunnen de cellen zich vernieuwen (proliferatie) of specialiseren (differentiatie). Totipotente en pluripotente stamcellen hebben de unieke mogelijkheid om te differentiëren (specialiseren) tot alle cellen van het organisme. Dit kan in het laboratorium getest worden door de stamcellen op een andere manier te kweken. Dit kan ook worden getest door de cellen in de testes (teelbal) van laboratoriummuizen te plaatsen waar ze uitgroeien tot grote tumoren; teratomen’s of teratocarcinomen. Teratoma’s bevatten cellen van de drie kiemlagen, georganiseerde weefsels (zoals haar en tand) en cellen die erg gelijken op embryonale cellen. Het gebruik van humane ES cellen voor onderzoek is in bepaalde landen (o.a Amerika en Duitsland) sterk gelimiteerd door ethische bezwaren. 4.2.2 Foetus In 2002 vond Dr. Gearhart van de John Hopkins University een tweede bron van pluripotente stamcellen. Hij nam primordiale kiemcellen (voorlopers van de geslachtscellen) weg uit foetaal weefsel van afgebroken zwangerschappen. Deze EG of embryonic germ cells kunnen zich ook differentiëren tot cellen uit de drie kiemlagen (ectoderm, mesoderm en endoderm ). Hun proliferatie is echter wel beperkt, ze verdubbelen zich maximaal tachtig keer. EG en 4 ES hebben dezelfde eigenschappen: ze zijn morfologisch gelijkaardig, ze brengen veel dezelfde genen tot expressie, vereisen gelijkaardige groeicondities en ze kunnen differentiëren tot cellen van alle drie de kiemlagen. 4.2.3 Therapeutisch klonen Een derde bron om pluripotente cellen te isoleren is het gebruik van de somatische celkerntransplantatie of therapeutisch klonen. Hierbij wordt in een eicel (of eventueel in een pluripotente stamcel) een somatische celkern van de patiënt geplaatst. Daardoor bezit deze cel exact dezelfde genetische informatie (tenminste wat nucleair DNA betreft) als de patiënt, wat problemen met afstoting na transplantatie vermijdt. De blastocyst wordt niet ingeplant in de baarmoeder, maar dient als bron van ES-cellen. Aangezien klonen ethische vragen oproept en de techniek nog niet optimaal werkt (zo is er de kwestie van het mitochondriaal DNA, dat datgene van de eicel blijft), gaat men op zoek naar andere technieken om stamcellen te maken. 4.3 Multipotente stamcellen Multipotente stamcellen zijn cellen die tot een beperkt aantal celtypes kunnen differentiëren. Hun differentiatie en proliferatiemogelijkheden zijn nog meer beperkt daar ze enkel tot cellen van één kiemlaag kunnen differentiëren. De meeste multipotente stamcellen zijn volwassen stamcellen (adult stem cells of AS). Een volwassen stamcel is een nog niet gedifferentieerde of een niet-gespecialiseerde cel die na de geboorte voorkomt in een gedifferentieerd en gespecialiseerd weefsel van een organisme. Ze kan aanleiding geven tot alle rijpe cellen van het betrokken weefsel. Ze zijn nodig in het lichaam om bepaalde cellen met een korte levensduur te verversen. Voorbeelden van AS zijn de hematopoietische (bloedvormende) stamcellen, neurale stamcellen uit hersenweefsel, stamcellen in huid- en vetweefsel. Aanvankelijk was men er vast van overtuigd dat de AS zeer geringe differentiatie- en proliferatiemogelijkheden had. Maar recent onderzoek van de Belgische onderzoekster 5 Catherine Verfaillie bewees het tegendeel. Ze slaagde erin AS toch te laten differentiëren tot cellen van een ander kiemblad. Buiten alle verwachtingen zijn wetenschappers er dus in geslaagd om in kweekschaaltjes in het labo zenuw-, hartspier-, lever-, long- en huidcellen af te leiden uit bloedvormende stamcellen uit het beenmerg (zie iPS-cellen) De aandacht voor AS nam vooral toe met de opkomst van ethische implicaties over het gebruik van ES en EG. Er zijn indicaties dat hart, pancreas, spieren, huid, darmen, bloedvaten, tanden, lever, netvlies, teelballen en hersenen zo’n voorraadjes stamcellen hebben. Vandaag de dag gaat men er van uit dat in elk orgaan van een volwassen persoon een hoeveelheid volwassen stamcellen aanwezig is. De oorsprong van AS is echter nog niet achterhaald maar wetenschappers vermoeden het bestaan van een universele stamcel die aanwezig zou zijn in de bloedbaan. Het feit dat AS in een orgaan dicht bij een bloedvat genesteld zijn, versterkt dit vermoeden. AS zijn onderling echter ook erg verschillend, zo zijn hematopoietische stamcellen erg actief terwijl in de meeste organen adulte stamcellen vooral rustend aanwezig zijn. Om stamcellen van de patiënt zelf te kunnen gebruiken voor behandeling moeten ze eerst worden geïsoleerd en in grotere aantallen worden gegenereerd. Voor acute ziekten ontbreekt echter dan de tijd om voldoende cellen te kunnen kweken en ziekten veroorzaakt door een genetisch defect zijn wellicht niet geschikt doordat de genetische fout ook in de stamcel aanwezig is. Weefselbanken vormen voor deze patiënten in de toekomst misschien wel een oplossing. Dat zijn banken waarin hoeveelheden gedifferentieerd weefsel opgeslagen zijn, best met verschillende HLA-typeringen, om bij zoveel mogelijk patiënten een transplantatie zonder afstoting mogelijk te maken. Deze weefselhoeveelheden kunnen eventueel afkomstig zijn van (embryonale) stamcellijnen. Volwassen stamcellen hebben in ieder geval meer genetische afwijkingen door de inwerking van giftige stoffen en zonlicht maar ook door de fouten die ontstaan zijn in de celdeling. Tenslotte zijn stamcellen moeilijk te herkennen, te isoleren en in vitro te vermenigvuldigen. Bij volwassen stamcellen maakt men een onderscheid tussen o.a.: - Bone Marrow Stem Cells (BMSC) - Mesenchymal Stem Cells (MSC) - Multipotent Adult Progenitor Cells (MAPC) - Endothelial Progenitor Cells (EPC) Navelstrengbloed vormt ook een bron van multipotente stamcellen. Ze bieden talrijke voordelen namelijk dat er geen risico is voor de donor bij het oogsten. Navelstrengbloed kan gemakkelijk ingevroren worden . Normaalgezien wordt de navelstreng kort na de geboorte samen met de placenta weggegooid. Een navelstreng bevat relatief veel stamcellen van hoge kwaliteit. Die kunnen vrij eenvoudig zonder pijn of risico verzameld en bewaard worden. Navelstrengstamcellen zijn in de regel minder aangetast door virussen of andere omgevingsfactoren, zoals bestraling, dan volwassen stamcellen. Ze hebben dus meer groeipotentieel dan de klassieke stamcellen van volwassenen. Een nadeel is het lage aantal aanwezige hematopoietische stamcellen. Ook is er geen tweede transplantatie mogelijk. Navelstrengbloed heeft vooral zijn toepassing bij hematologische ziekten (zoals acute leukemie). 4.4 Unipotente stamcellen Unipotente stamcellen zijn in staat welbepaald één type gedifferentieerde cel te maken. 4.5 Geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPS-cellen), pluripotent 6 Cellen van een volwassen mens zijn in principe volledig gedifferentieerd. Zo kunnen huidcellen zich niet meer omvormen tot andere celtypes. In 2007 werd een methode ontwikkeld om gedifferentieerde cellen van een volwassen mens – huidcellen bijvoorbeeld – te herprogrammeren tot pluripotente cellen. De onderzoekers voegden specifieke menselijke genen aan de huidcellen toe die ‘uit’ staan in gedifferentieerde cellen, maar actief zijn in pluripotente cellen. Hieruit ontstonden pluripotente iPS-cellen die ze vervolgens konden omzetten in andere celtypes, zoals spiercellen en zenuwcellen. iPS-cellen zijn, net zoals ES-cellen, pluripotent, met een aantal voordelen er bovenop. Ze zijn onbeperkt beschikbaar. ES-cellen afkomstig van IVF-restembryo’s, zijn daarentegen beperkt beschikbaar en bovendien ethisch omstreden. iPS-cellen zijn afkomstig van de patiënt zelf, waardoor de kans op afstoting kleiner wordt. Deze techniek staat nog in de kinderschoenen, maar men verwacht dat uit iPS-cellen verschillende weefsels ontwikkeld kunnen worden. 4.6 De toepassingen van stamcellen Stamcellen kunnen als stamcel in het lichaam gebracht worden. Sommige stamcellen, zoals die uit het beenmerg, zoeken zelf een plaats van bestemming en groeien daar uit tot nieuwe cellen. Maar meestal worden stamcellen daar ingespoten waar ze hun werk moeten gaan doen. Stamcellen kunnen in de toekomst misschien opgekweekt worden tot een cel met een specifieke functie, zoals hartcellen, zenuwcellen, huidcellen of botcellen. Deze cellen kunnen dan in de patiënt terug geplaatst worden. In de praktijk is dit tot nu toe nog niet gebeurd. Soms wordt alleen gebruikt gemaakt van de signalen die stamcellen afgeven aan hun omgeving. Zo kunnen sommige stamcellen bijvoorbeeld de groei van nieuwe bloedvaten stimuleren. Deze toepassing wordt op dit moment intensief onderzocht. 4.6.1 Leukemie Somatische stamcellen worden al jaren toegepast na de behandeling van leukemie met een chemokuur. Door de chemotherapie sterven alle tumorcellen, maar ook de gezonde cellen in het beenmerg af. Hierdoor heeft de patiënt geen afweersysteem meer. Na de therapie kan dit weer hersteld worden door beenmerg-stamcellen in te spuiten. Om (pijnlijke) beenmergpuncties te vermijden, kan men bloedstamcellen tijdelijk uit het beenmerg in het bloed doen terechtkomen door groeihormonen toe te dienen. Een eenvoudige bloedafname levert dan voldoende bloedstamcellen. De meeste patiënten beschikken echter niet over voldoende gezonde eigen bloedstamcellen. Voor hen kan navelstrengbloed of een beenmergdonor een alternatief bieden. 4.6.2 Diabetes Lichaamscellen hebben insuline nodig om glucose uit het bloed te halen. Insuline wordt aangemaakt door de β-cellen van de pancreas. Bij jeugddiabetes (type 1) zijn de β-cellen beschadigd, waardoor ze te weinig insuline produceren. De patiënten kunnen dit opvangen door meermaals per dag insuline in te spuiten. De ideale dosis is echter moeilijk te bepalen en varieert met de suikerspiegels in het bloed. Helaas voorkomt de huidige therapie niet dat diabetespatiënten op lange termijn complicaties zoals oogziekten of chronische wonden ontwikkelen. 7 In België onderzoekt het ‘JDRF Center for Beta Cell Therapy’ de mogelijkheid om gedoneerde β-cellen te transplanteren naar de pancreas van diabetespatiënten. Voor deze allogene - therapie is er echter nog steeds een groot aanbod aan menselijke pancreassen nodig. In de toekomst kan men misschien β-cellen afleiden van de eigen stamcellen van de patiënt om zo tot autologe celtherapie te komen. Deze cellen produceren de juiste hoeveelheid insuline om de suikerspiegels in het bloed onder controle te houden. 4.6.3 Botbreuken Eén van de vruchtbaarste bronnen van somatische stamcellen blijkt vetweefsel te zijn. Amsterdamse onderzoekers gebruiken deze stamcellen om bot te kweken. Hiermee herstellen ze bij proefdieren botbreuken en gaten die zijn ontstaan door tumoren of ongelukken. Ze werken aan een machine die vet kan afzuigen en daar volautomatisch de stamcellen uit kan zuiveren. 4.6.4 Hoornvlies De Italiaanse oogweefselbank herstelt met volwassen stamcellen uit het oog van een patiënt beschadigd hoornvlies (in het andere oog). 4.6.5 Hartinfarct Bij een hartaanval sterft een deel van de hartspiercellen, omdat het bloedvat dat hen van zuurstof voorziet, geblokkeerd raakt. De overblijvende spiercellen moeten dan harder werken. Vaak leidt dit op lange termijn tot hartfalen en zelfs overlijden. Cardiologen willen het dode weefsel graag vervangen door nieuw gezond hartspierweefsel. Maar eenvoudig is dit niet. Voorlopig tracht men vooral het nog functionele hartspierweefsel zo goed mogelijk te beschermen. In vergevorderde stadia van hartfalen gaat men over tot de transplantatie van een compleet hart. Misschien kunnen stamcellen ook hier ingeschakeld worden? Maar welke stamcellen? Op deze vraag bestaat er nog geen eenduidig antwoord. VIB-onderzoekers aan de K.U.Leuven onderzochten patiënten met een hartinfarct die, naast de standaardtherapie, ook met stamcellen uit hun eigen beenmerg werden behandeld. De wetenschappers zagen duidelijk dat het hartletsel kleiner was bij de groep die met stamcellen werd behandeld dan bij de controlegroep die enkel de standaardbehandeling had gekregen. Dit was het gevolg van aan een betere doorbloeding in het getroffen hartweefsel. De beenmergcellen hadden zich gedifferentieerd tot bloedvaten. Waarschijnlijk zal het niet mogelijk zijn om beenmergstamcellen te laten uitgroeien tot volwaardige hartspiercellen zonder specifieke manipulaties uit te voeren. Men hoopt wel om in de toekomst een betere doorbloeding en herstel van de hartspiermassa te bekomen door een combinatie van verschillende stamceltypes toe te dienen. 8 4.6.6 Ziekte van Parkinson Bij de ziekte van Parkinson sterven de dopamineproducerende zenuwcellen af. Dopamine is essentieel voor de communicatie tussen de zenuwcellen die onze spierbewegingen regelen. Bij muizen met de ziekte van Parkinson leidt stamcelinjectie tot een duidelijke verbetering van hun conditie. De stamcellen verplaatsen zich naar het beschadigde hersendeel en veranderen onder invloed van groeifactoren die de hersenen zelf aanmaken, in het gewenste celtype. Men onderzoekt ook transplantatie van foetale hersencellen bij mensen. De studies leveren gemengde resultaten op. Sommige patiënten worden er beter van, bij anderen verloopt de regulatie van de dopamineproductie veel minder goed en treden er ernstige bijwerkingen op. Bron: http://www.vib.be/nl/biotech-basics/Pages/Toepassingen-stamcellen.aspx 4.7 Wetgeving 4.7.1 Europa Het gebruik van (embryonale) stamcellen voor het kloneren van mensen is in de EU verboden. Het maken van embryo's voor onderzoek door is sinds 1991 toegestaan in Groot-Brittanië en sinds 1 april 2005 ook in Zweden. Het maken van embryo's voor therapeutische doeleinden is sinds 2007 toegestaan in Spanje. Sinds mei 2008 is het in Groot-Brittannië toegestaan om hybride embryo’s te gebruiken voor stamcelonderzoek. Hybride embryo’s ontstaan door het erfelijke materiaal van dierlijke eicellen te vervangen door het erfelijke materiaal van mensen. De hybride embryo’s mogen niet langer dan veertien dagen ontwikkelen. Daarnaast mogen hybride embryo’s niet in een baarmoeder van een mens of dier worden geplaatst. Gebruik van restembryo's voor onderzoek is toegestaan in Denemarken, Finland, Griekenland, Nederland, Zweden, UK, onder bijna alle omstandigheden toegestaan in Spanje, en verboden in Duitsland, Frankrijk, Ierland Oostenrijk en Italië. In België mogen embryo's speciaal voor onderzoek gemaakt worden wanneer de onderzoekers kunnen aantonen dat er geen alternatieven zijn. Luxemburg en Portugal hebben geen specifieke wetgeving op dit gebied. 4.7.2 Maatschappelijke consequenties Bij de discussie over het onderzoek naar stamcellen wordt niet altijd onderscheid gemaakt tussen de drie verschillende stamcelbronnen. Toch spelen bij de drie bronnen verschillende argumenten een rol die niet altijd uitwisselbaar zijn. Bij de discussie over onderzoek naar embryonale stamcellen zijn er altijd twee uiterste meningen die om de aandacht vragen. Aan de ene kant het argument dat het niet toelaatbaar is om het leven van een embryo te beëindigen. Ook al is die maar een paar cellen groot. Aan de andere kant bestaat de mening dat alles geoorloofd is om mensen te genezen van tot nu toe ongeneeslijke en vaak levensbedreigende ziekten. 4.8 Stamcelbanken 9 Tegen het gebruik van navelstrengbloed en somatische stamcellen voor (onderzoek naar) het genezen van ziekten bestaat weinig bezwaar. Er is wel enige discussie over donorbanken voor deze stamcellen. Iedereen kan stamcellen van beenmerg of navelstreng tegen betaling in een private donorbank op laten slaan voor eigen gebruik. Maar het is ook mogelijk om stamcellen kostenloos te doneren aan een collectieve stamcelbank. Collectieve stamcelbanken werken over de hele wereld samen en hebben zo een aanbod van inmiddels tien miljoen donoren. De discussie is nu welke donorbank de voorkeur zou moeten genieten. Ook zijn sommige wetenschappers bezorgd over de verschillende experimenten die met stamcellen worden gedaan. Vaak worden volgens hen patiënten met stamcellen behandeld terwijl nog weinig bekend is over de positieve en negatieve gevolgen. Zo zouden stamcellen tot tumoren uit kunnen groeien. 4.9 Toekomst Onderzoek zal er op gericht zijn om het sturen van stamcellen beter te leren begrijpen. Zo hopen wetenschappers ooit in staat te zijn om in het laboratorium nieuwe weefsels en organen te kweken. Daarvoor wordt stamcelonderzoek met andere technieken gecombineerd, zoals het opbouwen van bio-kunststoffen die de organen stevigheid zouden moeten bieden en gentherapie om de stamcellen vooraf ziektevrij te maken voor behandeling. Ook zal geprobeerd worden de signalen die stamcellen afgeven aan hun omgeving te gebruiken om andere cellen te kunnen beïnvloeden. Men verwacht meer te begrijpen van het ontstaan en het voorkomen en behandelen van kwaadaardige tumoren, wanneer men meer van stamcellen begrijpt. Dat komt doordat veel signalen die stamcellen gebruiken ook een rol spelen bij het ontstaan van tumoren. Met stamcellen gekweekte weefsels kunnen gedeeltelijk een alternatief vormen voor proefdiermodellen voor het testen van het effect van nieuwe medicijnen. 10