Skip to main content

Stamcelledifferentiering - nye funds betydning for transplantationsbiologien

Peter Hokland

1. nov. 2005
11 min.


Transplantation er traditionelt blevet inddelt i henholdsvis den stamcellebaserede transplantation (f.eks. med hæmatopoietiske stamceller) og organtransplantation (f.eks. med nyrer). Hvad angår den første kategori, er den blevet opdelt i den autologe og den allogene, alt efter om de stamceller, der overføres ved intravenøs infusion, stammer fra patienten selv eller fra en allogen donor (en bror eller søster eller en registerdonor). Mens den autologe kategori udelukkende tjener til at retablere en hæmatopoiese, der er blevet irreversibelt beskadiget af den højdosisbehandling, der er givet med kurativt sigte, er der ved den allogene et betydende moment af graft-versus-cancer. For transplantation af solide organer gælder det, at den vævstypebarriere, der er til stede i næsten alle situationer, ikke skal medføre afstødning [1].

Noget tyder på, at denne skelnen mellem celle- og organbaseret transplantation i de kommende år vil mindskes i takt med, at nye fund om stamcellers modningspotentiale overføres fra eksperimentel baggrund til klinisk realitet [2]. I denne oversigt gives en indføring i disse nye fund med vægten lagt på de mere kontroversielle aspekter, der i de seneste år har været ikke alene i den videnskabelige litteratur, men i lige så høj grad i offentligheden, både før og efter at der i maj 2003 blevet lovgivet om anvendelsen af embryonale stamceller.

Et nyt stamcellekoncept?

Det må betragtes som en af de mest overraskende og trendsættende begivenheder inden for humanbiologien i de seneste 10-20 år, da man i en række rapporter i slutningen af det seneste årti mere eller mindre antydede, at stamceller postnatalt var i stand til at fungere i andre væv end dem, de oprindelig var tiltænkt. Hæmatopoietiske stamceller er her et typisk eksempel [3].

Ved at følge genetisk mærkede celler i et nyt miljø, f.eks. efter indsprøjtning i syngene musestammer (der kun adskiller sig fra hinanden på ét gen), kunne det således vises - ganske vist med skiftende overbevisning - at transplantation førte til f.eks. bloddannelse efter indsprøjtning af nerveceller og dannelse af såvel leverceller, myocytter som nerveceller efter overførsel af knoglemarvsceller [4]. Det har vist sig, at påvirkninger i det lokale miljø er en medvirkende årsag til plasticitet, f.eks. i form af ændringer frembragt af stress-stimuli.

Ud over berettiget opmærksomhed førte disse iagttagelser til et »kapløb« om at døbe dette ny begreb. Ord som plasticitet og omprogrammering dækker den overordnede observation og antyder ydermere henholdsvis det dynamiske og den udefrakommende påvirkning. Ord som transdifferentiering, transdeterminering og dedifferentiering beskriver på sin side mekanistiske aspekter af fænomenet.

Som vist i Fig. 1 indebærer den klassiske stamcellemodel, at en oligopotent stamcelle muliggør differentiering mod funktionelle slutstadieceller, men ikke horisontale linjeskift til andre organsystemer. Er en hæmatopoietisk stamcelle, der principielt er ophav til alle blodets formede bestanddele, således nået et vist stykke vej i retning af den erytroide linje, kan den ikke »ombestemme sig« til at differentiere mod trombocytlinjen. Ved transdifferentiering kan dette derimod lade sig gøre. Ved transdeterminering ses der et lignende fænomen, men på et tidligere stamcelleniveau. Dedifferentering betyder, at en celle er i stand til at regrediere til et tidligere stadium (»nord-syd«) og herefter modnes efter et andet differentieringstræ (»syd-nord«). Det er vigtigt at betone, at selv om der findes eksperimentel evidens for alle disse alternativer til den accepterede stamcellemodel, er der behov for uafhængig konfirmering af dem, ligesom deres implikationer nødvendigvis bør efterspores.

I løbet af få år er den videnskabelige litteratur blevet domineret af iagttagelser, der peger på, at vort billede af stamcellefunktionalitet bør tages op til overvejelse, og i Tabel 1 er nogle illustrative fund forsøgt opregnet. Det er i denne forbindelse bemærkelsesværdigt, at der er igangværende kliniske forsøg, hvor patienter med myokardieinfarkt synes at have gavn af indsprøjtning af autologe knoglemarvsceller i forbindelse med koronarangiografi i det afficerede område. Effekten har således kunnet måles ved hjælp af mobilitet ved f.eks. galliumskanning [6].

Er der andre forklaringer på stamcelleplasticitet?

Som ved andre potentielt paradigmeskiftende fund er stamcelleplasticitet også blevet gjort til genstand for debat. Alternative forklaringer på de observerede fund er blevet foreslået i takt med, at det har været svært at reproducere nogle af de opsigtsvækkende fund.

Da en del af de celler, der er blevet anvendt til at studere plasticitet, har været afledt fra cellekulturer, er der en fare for, at årsagen til omprogrammeringen kan have været ændringer (mutationer etc.) i gener, der afgør de tidlige cellers potentiale. Et andet fokusområde er renheden af de aftestede celler. Den hyppigste »synder« i disse situationer er tilstedeværelse af bloddannende stamceller i præparationer fra andre væv, der ønskes anvendt til test af omprogrammering til netop hæmatopoiese. Noget sådant må antages at være årsag til, at muskler kan blive til blod (Fig. 2 ).

En tredje mulighed for overfortolkning af celleoverførselsdata er, at der sker en fusion af celler i det organsystem, der ønskes undersøgt. Klar evidens for dette er set med embryonale stamceller (ES), men i hvor høj grad dette kan gælde postnatalt, er ikke klart.

Krav til demonstration af stamcelleplastcitet

Irv Weissman, en pioner inden for stamcelleforskning, fandt det svært at reproducere, at hæmatopoietiske stamceller kunne omprogrammeres, og hans forskningsgruppe fandt ydermere tegn på, at differentiering til nerveceller kunne skyldes fusion [7]. Han tog derfor initiativ til udformning af et regelsæt for, hvad der skal forventes af bona fide-eksperimenter for stamcelleplasticitet [8]. Det første krav er, at inputcellerne skal være velkarakteriserede, så lidt manipulerede som muligt, og frem for alt: kunne identificeres på måder, der ikke i sig selv interfererer med den eksperimentelle opsætning. Dernæst må de overførte celler ikke bare være til stede i målorganet, men også kunne bidrage til dets funktion. Til sidst kan der tillægges et ønske om specifikation af de noxer, som anvendes for at inducere omprogrammeringen (f.eks. graden af myokardieiskæmi, der anvendes for at inducere, at stamceller fra andre organer bidrager til myokardieregeneration ell er angiogenese).

Forhåbentlig vil implementering af disse kriterier i de kommende år føre til større klarhed i dette spændende forskningsfelt. I sidste ende må det dog forudses, at formel demonstration af somatisk stamcelleplasticitet kun kan bevises uigendriveligt ved kerneoverførselsforsøg.

Medicinske implikationer af stamcelleplasticitet

Megen af den virak, der har været i videnskabelige tidsskrifter om anvendelse af såvel embryonale som voksne stamceller, har fundet vej til dagspressen og til de politiske cirkler.

Debatten skyldes først og fremmest de potentielle humanbiologiske konsekvenser af den observation, der ligger til grund for kloning og transplantation af celler, der anvendes ved såkaldt terapeutisk kloning. Herved forstås en fusion af kernen fra en differentieret celle fra et individ og cytoplasmaet fra en celle opnået fra en blastocyst. Proof of concept for at dette kan føre til dannelse af en levedygtig organisme, blev opnået med fødslen af fåret Dolly og senere en række andre dyr. Trods en lav successrate og en tendens til, at klonede dyr ældes tidligt (Dolly blev for nylig aflivet på grund osteoartrose), viser denne metode, at omprogrammering kan føres ud i den yderste konsekvens, fordi en kerne fra en yvercelle under de rette omstændigheder kan blive til et individ med tilsyneladende normal fænotype.

Positive aspekter

Baggrunden for den megen medieomtale er de betydelige implikationer, der potentielt ligger i plasticiteten af de anvendte stamceller, og en ny disciplin inden for humanbiologi er blevet foreslået, nemlig regenerativ medicin [5]. Alene ved nervesygdomme er korrigering af de degenerative processer ved Parkinsons sygdom, Alzheimers sygdom og hjerneinfarkt blevet nævnt som mulige målsygdomme. Når dertil lægges myokardieiskæmi og diabetes mellitus, er det klart, at forventningerne næppe kan stilles for højt.

Negative aspekter

Som i mange andre situationer har de involverede forskningsgrupper været hurtige med at påpege, at deres fund ikke kan forventes at få praktisk betydning inden for en ikke nærmere angivet årrække. Dette har imidlertid ikke formindsket debatten, der fra starten var centreret om anvendelsen af embryonale stamceller. Forvirringen er ikke blevet mindre af, at forskellige regeringer har haft forskellige holdninger til netop anvendelse af embryonale celler. Mens restriktive lovgivninger er indført i f.eks. USA og Tyskland (kun allerede etablerede stamcellelinjer kan anvendes), er man i f.eks. Storbritannien meget mere liberal med tilladelse til terapeutisk kloning efter dannelse af embryoner til medicinske forskningsformål.

Folketinget har i maj 2003 foretaget en ændring af den såkaldte befrugtningslov. Denne ændring indebærer, at overskudsæg fra in vitro-fertilisation nu kan anvendes som kilde til stamceller. Der har i disse spalter været en del debat om dette emne. For undertegnede synes der at være tale om et fornuftigt kompromis, men der forestår et større kortlægningsarbejde for at afklare de praktiske aspekter af lovens betydning, f.eks. formaliseringen af samarbejde mellem så forskellige afdelinger som fertilitetsklinikker og teoretiske universitetsinstitutter.

I hvor høj grad kan voksne stamceller og stamcellelinjer erstatte de embryonale?

Et centralt emne i den politiske debat har været, om forskning i embryonale stamceller kunne forbydes med henvisning til, at den eksplosive udvikling i vor viden om voksne stamceller kunne betyde, at voksne stamceller ville blive den foretrukne kilde.

I transplantationsøjemed kan det således tænkes, at en patient med en degenerativ nervesygdom om føje år vil kunne behandles med autologe (voksne) stamceller fra f.eks. knoglemarv, og at de vil kunne bidrage til enten at vende eller sinke den progressive sygdom. Støtte for dette koncept er inden for de seneste to år opnået fra Catherine Verfaillies gruppe, der har identificeret en - ganske vist meget sjældent forekommende - voksen celle, der er i stand til at udføre, hvad der på nuværende tidspunkt kunne tyde på transdifferentiering [9]. Cellen er blevet døbt mesodermal forstadiecelle for at undgå sammenblanding med embryonale celler. Atter må det betones, at der er tale om ganske præliminære data. Selv hvis de forhåbentlig viser sig at kunne reproduceres, vil der gå en årrække, før de bliver klinisk anvendelige.

I alle tilfælde bør det slås fast, at voksne stamceller ikke i hverken mængde eller potentiale kan erstatte de embryonale i den forskning, der af mange - inklusive de lovgivende - anses for at være nødvendig for at imødekomme befolkningens berettigede forventning om fremskridt i behandlingen af mange degenerative lidelser.

Er embryonale stamcellelinjer og celler fra overskudsæg et reelt alternativ til celler opnået ved terapeutisk kloning?

De kommende år vil sandsynligvis vise en udvikling i retning af en betydelig øget efterspørgsel efter stamceller, og på baggrund af den nye lovgivning kan der stilles spørgsmålstegn ved, om der vil være nok æg til denne form for forskning. Ud over etablering af vidtforgrenede samarbejdsrelationer, skal der en omfattende information ikke alene til det enkelte forældrepar, men i lige så høj grad til offentligheden.

Det har fra eksperter inden for in vitro-fertilisation været påpeget, at nyere hormonbehandlinger, der gives til kvinden i forbindelse med behandling af infertile par, fører til færre æg, og at de, der er til rådighed for forskning, er de dårligste. Kun fremtiden kan vise, hvorvidt disse begrænsninger vil få betydning for forskningsfeltet.

Det er ydermere et ubesvaret spørgsmål, i hvor høj grad det vil være muligt at anvende de embryonale stamcellelinjer, som af den amerikanske regering er blevet foreslået som alternativer [10].

Afledte effekter for transplantation skabt af den nye viden om stamceller

Det siger sig selv, at den nye viden om stamceller i teorien kan få vidtrækkende konsekvenser for hele transplantationsområdet.

Det er nok frugtbart i denne forbindelse at klargøre, at der med transplantation her menes området celleoverført behandling. Om regenerativ medicin i denne forbindelse skal betegnes som transplantation, er kun semantik; det væsentlige er, at forbedring af organfunktioner, det være sig hele organer eller dele deraf, vil blive set i et nyt lys i de kommende år. De omtalte fund ved myokardieinfarkt er et eksempel på dette, og det er svært ikke at ekstrapolere til neurodegenerative lidelser, diabetes mellitus og knoglemarvssvigt.

Denne oversigt har ikke kunnet dække alle de aspekter - humanbiologiske som etiske - som de nye fund inden for stamceller åbner op for, og det er afslutningsvis også vigtigt at påpege, at der kan gå en årrække før stamcellebehandling bliver aktuelt til folkesygdomme. På den anden side må det også erkendes, at overførslen af basale fund til klinisk gennemprøvning på flere områder er gået forbavsende hurtigt. Forhåbentlig vil det danske sundhedsvæsen været klar til at møde de udfordringer, der uden tvivl vil være forestående.


Summary

Novel aspects of stem cell differentiation: significance for the transplantation setting

Ugeskr Læger 2003;165:4840-4843

Novel data from small rodent models as well as clinical trials suggest that our present paradigm regarding the restricted ability of stem cells to differentiate along given pathways, usually within a given organ system, needs a thorough re-evaluation. Even adult stem cells seem to harbour a hitherto unknown potential fo r plasticity, which implies that, given the right circumstances, they can give rise to end-stage cells in other organ systems. Though some of these data have recently come under criticism, it seems prudent to expect that the new concept of stem cell differentiation will be of great significance to the field of transplantation.


Peter Hokland, Immunhæmatologisk Laboratorium, Hæmatologisk Afdeling, Århus Amtssygehus, DK-8000 Århus C.
E-mail: phokland@biobase.dk.

Antaget den 7. november 2003

Århus Universitetshospital, Århus Amtssygehus, Hæmatologisk Afdeling.


Nedenstående referencer er fortrinsvis udvalgt efter læseværdighed, og fordi der gives en oversigt, i enkelte tilfælde med journalistisk indgang, til den i øvrigt righoldige litteratur om emnet.





Referencer

  1. Vogelsang GB, Lee L, Bensen-Kennedy DM. Pathogenesis and treatment of graft-versus-host disease after bone marrow transplant. Annu Rev Med 2003;54:29-52.
  2. Moore MA. "Turning brain into blood" - clinical applications of stem-cell research in neurobiology and hematology. N Engl J Med 1999;341:605-7.
  3. Orkin SH, Zon LI. Hematopoiesis and stem cells: plasticity versus developmental heterogeneity. Nat Immunol 2002;3:323-8.
  4. Frisen J. Stem cell plasticity? Neuron 2002;35:415-8.
  5. Keller R Stem cells on the way to restorative medicine. Immunol Lett 2002;83:1-12.
  6. Orlic D, Hill JM, Arai AE. Stem cells for myocardial regeneration. Circ Res 2002;91:1092-102.
  7. Wagers AJ, Sherwood RI, Christensen JL et al. Little evidence for developmental plasticity of adult hematopoietic stem cells. Science 2002;297:2256-9.
  8. Holden C, Vogel G. Stem cells. Plasticity: time for a reappraisal? Science 2002;296:2126-9.
  9. Reyes M, Lund T, Lenvik T et al. Purification and ex vivo expansion of postnatal human marrow mesodermal progenitor cells. Blood 2001;98:2615-25.
  10. Holden C, Vogel G. Stem cell lines. "Show us the cells", U.S. researchers say. Science 2002;297:923-925.