Stem Cells Summary PDF

Zoë Haghebaert FB2a 2023-2024 Samenvatting biomedische onderzoekstechnieken H4: Stamcellen Inleiding Stamcel: een cel die de capaciteit heeft om in verschillende celtypen te veranderen (differentiëren). ➢ Mate van differentiatie → afhankelijk van type stamcel ➢ 4 differentiatiegraden: 1. Totipoten...

Zoë Haghebaert FB2a 2023-2024 Samenvatting biomedische onderzoekstechnieken H4: Stamcellen Inleiding Stamcel: een cel die de capaciteit heeft om in verschillende celtypen te veranderen (differentiëren). ➢ Mate van differentiatie → afhankelijk van type stamcel ➢ 4 differentiatiegraden: 1. Totipotente stamcellen: ➢ Aanwezig in de beginfase van een embryo ➢ Hebben het potentieel om zich te ontwikkelen tot elk celtype, inclusief extra-embryonale structuren zoals de placenta 2. Pluripotente stamcellen: ➢ Na enige celdeling differentiëren tot pluripotente stamcellen ➢ Kunnen zich ontwikkelen tot bijna elk celtype in het extra-embryonale structuren lichaam, behalve 3. Multipotente stamcellen: ➢ Meer gespecialiseerd dan pluripotente stamcellen ➢ Kunnen differentiëren in meerdere, maar niet alle, celtypen binnen een specifiek weefsel of orgaan 4. Unipotente stamcellen: Het meest gespecialiseerd Kunnen zich differentiëren tot slechts één specifiek celtype In de embryonale ontwikkeling begint een embryo met totipotente stamcellen, die later differentiëren en gespecialiseerde cellen vormen met specifieke functies. Gespecialiseerde cellen kunnen niet terugkeren naar een stamcel-status en kunnen geen andere functies meer vervullen. Zoë Haghebaert FB2a ➢ ➢ ➢ ➢ 2023-2024 Bij gewone (somatische) cellen worden telomeren bij elke deling korter Telomeren: beschermende sequenties aan het uiteinde van chromosomen Wanneer telomeren zijn uitgeput, treedt celrust of celdood op Stamcellen hebben telomerase: een enzym dat verloren telomeersequenties na elke deling kan herstellen, waardoor ze in staat zijn tot langdurige deling zonder telomeerverlies Totipotente stamcellen ➢ Cellen met het vermogen om uit te groeien tot een compleet organisme, inclusief alle verschillende celtypen en extra-embryonaal weefsel zoals de placenta ➢ Voorbeeld totipotente stamcellen → de zygote, die ontstaat wanneer een zaadcel versmelt met een eicel ○ Totipotent omdat het de potentie heeft om alle 220 verschillende celtypen in een organisme te vormen Bij humane stamcellen is het moeilijk totipotentie aan te tonen, maar bij muizencellen kan dit worden getest: ➢ Men injecteert een blastocyste met vermoedelijk totipotente stamcellen die een zichtbare of eenvoudig te detecteren afwijking hebben ➢ Als het blastocyst zich verder ontwikkelt, kan een compleet individu ontstaan, en het bestaan van een chimere muis (met cellen afkomstig van zowel de oorspronkelijke als de geïnjecteerde stamcellen) bevestigt de totipotente aard van de stamcellen 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. Er zijn verschillende bronnen mogelijk voor pluripotente stamcellen: Zoë Haghebaert FB2a 2023-2024 A. Embryo's ➢ Na bevruchting ondergaat de zygote delingen (= klieving) → resulterend in morulastadium van 8 niet-gedifferentieerde cellen ➢ Verdere deling tot 32-cellig morulastadium waar cellen uiteenwijken → holte ontstaat, de blastula. ➢ De buitenste laag, de trofoblast, wordt later de placenta ➢ Dit geheel staat bekend als de blastocyst ➢ In de celmassa ontwikkelt zich de kiemschijf met ectoderm, mesoderm en endoderm, waar organogenese begint. ★ In 1998 isoleerde Dr. Thomson embryonale stamcellen uit menselijke blastocyten. Deze pluripotente stamcellen kunnen zich vernieuwen of specialiseren onder verschillende kweekcondities ★ Totipotente en pluripotente stamcellen kunnen differentiëren tot alle organisme-cellen, getest door andere kweekmethoden of in muizentestes, waar ze teratomen vormen ★ Teratomen bevatten cellen van de drie kiemlagen en georganiseerde weefsels ★ Het gebruik van humane embryonale stamcellen voor onderzoek is beperkt in sommige landen vanwege ethische bezwaren, zoals in de Verenigde Staten en Duitsland. B. Foetus In 2002 ontdekte Dr. Gearhart van de John Hopkins University een tweede bron van pluripotente stamcellen: ➢ Hij gebruikte primordiale kiemcellen, afkomstig van foetaal weefsel van afgebroken zwangerschappen. ➢ Deze cellen (embryonic germcellen (EG)) hebben het vermogen om te differentiëren tot cellen uit de drie kiemlagen (ectoderm, mesoderm en endoderm) ➢ Hoewel hun proliferatie beperkt is tot maximaal 80 keer, delen EG-cellen veel eigenschappen met embryonale stamcellen (ES): ○ Morfologisch vergelijkbaar ○ Drukken veel dezelfde genen uit ○ Vereisen vergelijkbare groeiomstandigheden ○ Kunnen differentiëren tot cellen van alle drie de kiemlagen Zoë Haghebaert FB2a 2023-2024 C. Therapeutisch klonen ➢ Een derde methode om pluripotente cellen te verkrijgen, is door gebruik te maken van somatische celkerntransplantatie, ook bekend als therapeutisch klonen. ➢ De kern van een lichaamscel van de patiënt wordt in een eicel (of een pluripotente stamcel) geplaatst ➢ Resulterende cel heeft exact dezelfde genetische informatie als de patiënt (nucleair DNA) ○ Dit vermindert de kans op afstotingsproblemen na transplantatie ➢ Resulterende blastocyst wordt echter niet in de baarmoeder geïmplanteerd; in plaats daarvan wordt het gebruikt als bron van embryonale stamcellen (ES-cellen) Multipotente stamcellen ➢ Kunnen differentiëren tot een beperkt aantal celtypen ➢ Ze hebben beperkte proliferatie- en differentieerbaarheidsmogelijkheden, omdat ze alleen kunnen differentiëren tot cellen van één kiemlaag. ➢ Meestal zijn dit volwassen stamcellen (adult stem cells of AS) die na de geboorte in gedifferentieerd weefsel voorkomen. ➢ Voorbeelden zijn hematopoëtische stamcellen, neurale stamcellen, en stamcellen in huid- en vetweefsel. Oorspronkelijk dacht men dat AS beperkte differentiatie- en proliferatiemogelijkheden hadden, maar onderzoek van de Belgische wetenschapper Catherine Verfaillie toonde aan dat AS zich toch kunnen differentiëren tot cellen van een ander kiemblad, zoals zenuw-, hartspier-, lever-, longen huidcellen. ➢ In elk orgaan van een volwassen persoon is een hoeveelheid volwassen stamcellen aanwezig ➢ Vermoed dat er een universele stamcel in de bloedbaan aanwezig zou zijn. ○ want bevinden zich vaak in de buurt van bloedvaten ➢ AS verschillen onderling sterk → sommige actief (hematopoëtische stamcellen) en andere vooral rustend ➢ Het gebruik van stamcellen voor behandeling vereist isolatie en kweek ➢ Volwassen stamcellen hebben meer genetische afwijkingen door blootstelling aan gifstoffen en zonlicht dan ES of EG ➢ Ze zijn moeilijk te herkennen, isoleren en in vitro te vermenigvuldigen Zoë Haghebaert FB2a 2023-2024 Bij volwassen stamcellen onderscheidt men verschillende types, waaronder: 1. Bone Marrow Stem Cells (BMSC): Stamcellen afkomstig uit het beenmerg 2. Mesenchymal Stem Cells (MSC): Stamcellen met differentiatiepotentieel naar diverse celtypen, meestal uit het beenmerg 3. Multipotent Adult Progenitor Cells (MAPC): Multipotente stamcellen afkomstig van volwassen weefsels, met het vermogen om zich te differentiëren 4. Endothelial Progenitor Cells (EPC): Stamcellen met het vermogen om te differentiëren tot endotheliale cellen die betrokken zijn bij de vorming van bloedvaten Navelstrengbloed ➢ Bron van multipotente stamcellen van hoge kwaliteit ➢ Eenvoudig invriezen ➢ Gemakkelijk te oogsten ➢ Meer groeipotentieel → minder aangetast door virussen of omgevingsfactoren dan volwassen stamcellen ➢ Nadelen: ○ Laag aantal aanwezige hematopoëtische stamcellen ○ Geen tweede transplantatie mogelijk. ➢ Gebruikt bij hematologische ziekten, zoals acute leukemie Unipotente stamcellen In staat om één type gedifferentieerde cel te maken. Geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPS-cellen) zijn pluripotente cellen ontstaan gedifferentieerde cellen van een volwassen mens, zoals huidcellen, te herprogrammeren. door Methode: ➢ Specifieke menselijke genen toevoegen aan gedifferentieerde cellen ➢ Deze genen zijn: ○ Inactief in gedifferentieerde cellen ○ Actief in pluripotente cellen Resultaat: pluripotente iPS-cellen → kunnen vervolgens worden omgezet in verschillende celtypes, zoals spiercellen en zenuwcellen. Methode 1: integratie in genoom ➢ ➢ ➢ ➢ ➢ ➢ ➢ Integratie van de “herprogrammerende” genen in het genoom Retrovirus of lentivirus Integratie OSKM genen in genoom Random insertie Gevaar → vorming tumor (c-myc = oncogen!) Op zoek naar minder en andere transgenen/combinaties Afhankelijk van gastheerceltype Zoë Haghebaert FB2a 2023-2024 Methode 2: geen integratie in genoom Niet-integratie van ‘herprogrammerdende genen’ Mbv adenovirussen Ook afleveren OSKM genen → GEEN integratie Toch ook ongewenste effecten; bv ontwikkeling teratoma’s en het ontstaan van tetraploïde cellen? ➢ + efficiëntie veel lager → genen kwamen niet lang genoeg tot expressie ➢ Ontwikkeling andere aflevermethodes voor OSKM-genen: virus-vrij en transgen-vrij ➢ ➢ ➢ ➢ Niet-virale en niet-integrerende manieren: - Plasmiden - Minicircle DNA (klein supercoiled DNA) - RNA → mRNA of miRNA (effect op regulatie celdeling) - Direct afleveren eiwitten iPS-cellen: ➢ Delen pluripotente eigenschappen van ES-cellen ➢ Hebben extra voordelen: ○ Onbeperkt beschikbaar ○ Verkregen van de patiënt zelf → risico op afstoting kleiner ➢ Verwacht dat iPS-cellen kunnen worden gebruikt om verschillende weefsels te ontwikkelen De toepassingen van stamcellen 1. Direct in het lichaam → waarbij bepaalde stamcellen, zoals die uit het beenmerg, zelf een doel zoeken en uitgroeien tot nieuwe cellen. 2. Ingespoten op specifieke locaties → functie vervullen In de toekomst wordt verwacht dat stamcellen kunnen worden gekweekt tot cellen met specifieke functies, zoals hartcellen, zenuwcellen, huidcellen of botcellen. Deze gespecialiseerde cellen zouden dan in de patiënt kunnen worden teruggeplaatst. Een andere benadering is het gebruik van signalen die stamcellen afgeven aan hun omgeving. Sommige stamcellen kunnen bijvoorbeeld de groei van nieuwe bloedvaten stimuleren. Zoë Haghebaert FB2a 2023-2024 Leukemie ➢ Behandeld met chemotherapie → niet alleen kankercellen, maar ook gezonde cellen in het beenmerg doden ➢ Resulteert in verzwakt afweersysteem bij de patiënt ➢ Na de therapie kan dit worden hersteld door somatische stamcellen, verkregen uit het beenmerg, in te spuiten ➢ Om pijnlijke beenmergpuncties te vermijden → groeihormonen → bloedstamcellen vanuit het beenmerg naar het bloed te verplaatsen ➢ Eenvoudige bloedafname volstaat dan om voldoende bloedstamcellen te verkrijgen ➢ Veel patiënten hebben niet genoeg gezonde eigen bloedstamcellen → navelstrengbloed of een beenmergdonor als alternatief Diabetes ➢ Type 1 → β-cellen van de pancreas zijn beschadigd en produceren te weinig insuline ➢ Patiënten moeten meerdere keren per dag insuline injecteren ○ De optimale dosis insuline moeilijk vast te stellen en varieert met de bloedsuikerspiegel ➢ Lange termijncomplicaties (bv. oogziekten en chronische wonden) kunnen niet volledig worden voorkomen met de huidige therapie Toekomstig onderzoek richt zich op het afleiden van β-cellen uit de eigen stamcellen van de patiënt, waardoor autologe celtherapie mogelijk wordt. Deze cellen zouden dan de juiste hoeveelheid insuline produceren om de bloedsuikerspiegel onder controle te houden, waardoor de afhankelijkheid van externe insuline-injecties kan verminderen. Hoornvlies De Italiaanse oogweefselbank herstelt met volwassen stamcellen uit het oog van een patiënt beschadigd hoornvlies in het andere oog. Hartaanval Bij een hartaanval sterft een deel van de hartspiercellen omdat het bloedvat dat hen van zuurstof voorziet, geblokkeerd raakt. Dit kan op lange termijn leiden tot hartfalen en overlijden. Het vervangen van dood weefsel door gezond hartspierweefsel is een uitdaging voor cardiologen. Momenteel richt men zich vooral op het beschermen van nog functioneel hartspierweefsel, en in gevorderde stadia van hartfalen kan een harttransplantatie nodig zijn. Er wordt onderzocht of stamcellen kunnen worden ingezet om beschadigd hartweefsel te herstellen. Het type stamcellen dat het meest geschikt is, blijft echter onduidelijk. Onderzoekers aan de K.U.Leuven hebben patiënten met een hartinfarct behandeld met stamcellen uit hun eigen beenmerg naast de standaardtherapie. Deze behandeling resulteerde in kleiner hartletsel en een betere doorbloeding in het getroffen hartweefsel. De beenmergcellen hadden zich gedifferentieerd tot bloedvaten. Hoewel het waarschijnlijk niet mogelijk zal zijn om beenmergstamcellen rechtstreeks te laten uitgroeien tot volwaardige hartspiercellen, hoopt men in de toekomst een betere doorbloeding en herstel van de hartspiermassa te bereiken door verschillende soorten stamcellen te combineren. Ziekte van Parkinson Bij de ziekte van Parkinson gaan dopamineproducerende zenuwcellen verloren, wat essentieel is voor de regulatie van spierbewegingen. In muizen met Parkinson leidt stamcelinjectie tot aanzienlijke Zoë Haghebaert FB2a 2023-2024 verbetering. De stamcellen migreren naar beschadigde hersengebieden en transformeren onder invloed van groeifactoren in het gewenste celtype. Transplantatie van foetale hersencellen bij mensen wordt ook onderzocht, maar resultaten variëren. Sommige patiënten ervaren verbetering, terwijl anderen problemen hebben met de regulatie van dopamineproductie en ernstige bijwerkingen ondervinden. Onderzoek naar de behandeling van de ziekte van Parkinson met stamcellen is nog in ontwikkeling. Wetgeving Europa In de Europese Unie is het gebruik van (embryonale) stamcellen voor het klonen van mensen verboden. In België mogen embryo's speciaal voor onderzoek worden gemaakt als onderzoekers kunnen aantonen dat er geen alternatieven zijn. Luxemburg en Portugal hebben geen specifieke wetgeving op dit gebied. Maatschappelijke consequenties Bij de discussie over stamcelonderzoek worden vaak de drie verschillende bronnen van stamcellen niet duidelijk onderscheiden, maar elke bron roept verschillende argumenten op die niet altijd onderling uitwisselbaar zijn. In het debat over embryonale stamcellen komen twee extreme standpunten naar voren. Aan de ene kant wordt betoogd dat het niet acceptabel is om het leven van een embryo te beëindigen, zelfs als het maar uit een paar cellen bestaat. Aan de andere kant is er de opvatting dat alles geoorloofd is om mensen te genezen van tot nu toe ongeneeslijke en vaak levensbedreigende ziekten. Deze discussie weerspiegelt de ethische dilemma's en de zoektocht naar een balans tussen het respecteren van het leven en het nastreven van medisch voordeel. Stamcelbanken Over het gebruik van navelstrengbloed en somatische stamcellen voor onderzoek naar het genezen van ziekten bestaat weinig bezwaar. Er is echter enige discussie over donorbanken voor deze stamcellen. Mensen kunnen stamcellen van beenmerg of navelstreng tegen betaling opslaan in een private donorbank voor persoonlijk gebruik. Het is ook mogelijk om stamcellen kosteloos te doneren aan een collectieve stamcelbank, die wereldwijd samenwerkt met een aanbod van tien miljoen donoren. Sommige wetenschappers maken zich zorgen over de verschillende experimenten met stamcellen. Ze benadrukken dat patiënten vaak met stamcellen worden behandeld terwijl er nog weinig bekend is over zowel de positieve als negatieve gevolgen. Er bestaat bezorgdheid over het potentieel van stamcellen om tumoren te vormen. Toekomst Onderzoek naar stamcellen richt zich op een beter begrip van het sturen van stamcellen, met als uiteindelijk doel de mogelijkheid om in het laboratorium nieuwe weefsels en organen te kweken. Daarnaast wordt geprobeerd de signalen die stamcellen afgeven aan hun omgeving te gebruiken om andere cellen te beïnvloeden. Dit wordt gezien als een manier om meer inzicht te krijgen in het ontstaan, voorkomen en behandelen van kwaadaardige tumoren, omdat veel signalen die stamcellen gebruiken ook een rol spelen bij tumorgroei. Stamcellen gekweekte weefsels hebben mogelijk het potentieel om deels een alternatief te bieden voor proefdiermodellen bij het testen van het effect van nieuwe medicijnen.