Indusoidut pluripotentit kantasolut

Transkriptio

1 Indusoidut pluripotentit kantasolut (ips-solut) Risto-Pekka Pölönen, FM Tampereen Yliopisto Ei eturistiriitoja Sidonnaisuudet: LOIMU Skandinavian Fysiologian yhdistys Ison Britannian Fysiologian yhdistys Apurahat viimeisen 3 vuoden aikana: Paavo Nurmen säätiö Suomen Kulttuurirahasto Tampereen Yliopisto Tampereen kaupunki Skandinavian Fysiologian yhdistys Ison Britannian Fysiologian yhdistys 1

2 Sisältö: ips-solut Mitä, miten, miksi? Tautimallinnus Potilaan soluista solumalliksi Lääkekehitys ips-solut työhevosina Esimerkkejä Yhteenveto ips-solut Mitä, miten ja miksi? 2

3 Kantasolut Alkion Aikuisen Ojala 2015 Solujen kohtalo Yamanaka& Takahashi

4 Vuonna 2006 hiiren somaattiset, jo erilaistuneet solut, uudelleenohjelmoitiin kantasoluiksi (Yamanka& Takahashi) 24 uudelleenohjelmointitekijää tutkittiin joista 4 kriittisintä valittiin ips-solut Yamanaka tai OSKM faktorit (transkriptiotekijöitä): Oct 3/4 (Octamer-binding transcription factor-3/4) Sox2(Sex-determining region Y)-box 2 Klf4 (Kruppel Like Factor-4) c-myc Vuonna 2007 myös ihmisen somaattiset solut pystyttiin uudelleenohjelmoimaan (Yamanakaet.al., Gurdon et.al.) josta myönnettiin Nobelin palkinto 2012 Ojala 2015 Omole& Fakoya 2018 Induktiomenetelmät Nowakowski et.al Omole& Fakoya

5 ips-soluista erilaistettuja solutyyppejä Näiden lisäksi myös muita solutyyppejä Maksa Hepatosyytit Keuhkot Hengitysepiteeli Sydän Eteis-, kammio- ja tahdistinkardiomyosyytit eli sydänlihassolut Suolisto ja ruuansulatus Suolen epiteeli ja haiman insuliinia tuottavat solut Silmä Sarveiskalvon kantasolut ja retinan pigmenttiepiteelin solut Hermosto Hermosolut ja hermoston tukisolut 5

6 Autologiset ips-soluhoidot Perimänmuokkausteknologian avulla potilaiden soluista voidaan korjata taudin aiheuttava mutaatio ja viedä parannetut solut takaisin potilaaseen pelkäämättä hylkimisreaktiota. Omole & Fakoya 2018 Biopankista sopiva luovuttaja? HLA (humanleukocyteantigen) profiili määrittelee solukalvojen MHC (major histocompatibilitycomplex) rakenteen joka vaikuttaa immuunijärjestelmään ja hylkimisreaktioon. Luovuttajan ja vastaanottajan HLA-profiili tulee olla mahdollisimman samankaltainen jottei hylkimisreaktiota tapahtuisi. Biopankkeihin voidaan tallettaa laaja kirjasto eri HLA-profiilin omaavia ipssolulinjoja, jotka sopisivat mahdollisimman monelle potilaalle. Muokattu Papapetrou2016 6

7 Tautimallinnus Potilaan soluista solumalliksi Tautimallinnus ips-soluteknologialla voidaan tehdä potilaasta solumalli Potilaan kantasolujen induktio Somaattisen, jo erilaistuneen solun, induktio kantasoluksi aktivoimalla tiettyjä transkriptiotekijöitä potilaan solussa. Voidaan toteuttaa esim. iho- tai punasoluista. Kerätään potilaalta soluja Lisätään transkriptiotekijät Kantasolujen erilaistus tautimalliksi Kantasolut erilaistetaan eri solutyypeiksi kemiallisesti stimuloimalla kehitysbiologiasta tuttuja solujen signalointireittejä. Lisätään erilaistustekijöitä Erilaistuneet solut Muokattu Omole & Fakoya

8 Potilaasta luotu ips-solumalli ips-solumalli kantaa samat geenivirheet kuin potilas itse Potilaiden solujen luovutus ips soluja voidaan valmistaa esim. potilaiden veri tai ihosoluista. Näistä soluista voidaan valmistaa potilaan tautia vastaava solumalli. Tautimallintaminen Potilaan taudin ilmentymistä voidaan tutkia ips-soluista erilaistetulla solumallilla. Yksilöity hoito Potilasspesifisillä tautimalleilla voidaan testata paras lääkehoito potilaalle. Isogeeniset kontrollisolulinjat Perimän variaation minimointi tutkimuksessa Taudin aiheuttava geenivirhe korjataan esim. CRISPR/Cas9 teknologian avulla 8

9 ips-solut tautien mallinnuksessa Useita tautimalleja julkaistu maailmanlaajuisesti Rasva-aineenvaihdunta Maksasoluilla on uskomaton kyky uusiutua mutta kuinka se voitaisiin valjastaa lääketieteen käyttöön? Maksan lipidimetabolian tutkimus ja toksisuustestaukset. Rytmihäiriöt Moni rytmihäiriö johtuu yksittäisestä geenivirheestä. ips-solumallilla voidaan etsiä lääkkeitä rytmihäiriöihin. Sydäntoksisuustestaukset. Epilepsia ips-solut epilepsian tautimekaniikan tutkimuksessa ja lääkekehityksessä. Verkkokalvon rappeuma ips-soluista tuotetut epiteelisolujen esiasteet kudosvaurion uusiutumisessa. Muokattu Omole& Fakoya

10 Sydän- ja verisuonitaudit Perinnölliset rytmihäiriöt, kardiomyopatiat ja ateroskleroosi Mutaatiot sydänsolujen ionikanavissa altistavat rytmihäiriöille. Mutaatiot sydänsolujen rakenteellisissa proteiineissa altistavat sydänlihaksen epänormaalille kasvulle ja toiminnalle. Veren korkea rasvapitoisuus altistaa valtimonkovettumataudille. Maksalla on iso rooli rasvojen aineenvaihdunnassa. Sydämen sairauksien mallintaminen in vitro Tautimekaniikan tutkimus Sydänsolujen toiminnallisuuden tutkiminen Maksasolujen rasva-aineenvaihdunnan tutkiminen Lääkeaineiden testaus Yksilöity lääketiede Ionikanavat Sydänsolujen toiminnallisuuden mittaukset Elektrofysiologia Solukalvon aktiopotentiaali saa aikaan kalsiumpurkauksen joka johtaa sydänlihassolun supistumiseen. Solunsisäinen kalsium Aktiopotentiaali 1. Aktiopotentiaaleja tutkitaan patch-clamp menetelmällä jossa solukalvon jännitettä mitataanelektrodilla. 2. Kalsiumindikaattoreita käytetään elävien solujen fluoresenssikuvantamisessa. 3. Normaalilla videokuvantamisella voidaan nauhoittaa sydänlihassolujen sykintää. Supistuminen ja relaksaatio 10

11 Valtimonkovettumataudin tutkimus maksasoluilla Zeilinger et al., 2016 Kiamehr Silmätaudit Sarveis- ja verkkokalvon hoidot Sarveiskalvon ja verkkokalvon uusiutuminen kantasoluista erilaistetuilla soluilla Sarveiskalvon epiteeli uusiutuu sen kantasolujen avulla Mikäli epiteelin uusiutumiskyky ei riitä, silmän pinta ei korjaudu itsestään ja näkökyky heikkenee Vakavat vauriot eivät ole korjattavissa perinteisillä sarveiskalvon siirteillä Verkkokalvolla suuri merkitys näköaistimuksen synnyssä Retinan pigmenttiepiteelin (RPE) -solut huolehtivat verkkokalvon näköaistisolujen hyvinvoinnista Verkkokalvon ikärappeuma on länsimaissa yleisin näkövammaisuutta aiheuttava sairaus 11

12 Sarveiskalvon kantasolut sarveiskalvon hoitoon Rama et al, 2010 Erilaistus LSCs Kuvat: Heli Skottman Pellegrini et al, 2010 hpscs Erilaistus RPE Retinan pigmenttiepiteelin solut verkkokalvon hoitoon Anni Sorkio Hermoston sairaudet MS-taudin ja epilepsian hoito rappeutunut myeliini o/sairaudet/ms-tauti/mitent%c3%a4m%c3%a4-eteneems-taudin-kuva-ja-kulku/mstauti-on-autoimmuunisairaus Epileptinen kohtaus on aivojen kuorikerroksen hermosolujen äkillisestä liiallisesta sähköisestä toiminnasta johtuva ohimenevä oire. MS-taudin seurauksena hermoja ympäröivä kudos (myeliini) rappeutuu. Rappeumat estävät tai hidastavat hermoston sähkönjohtavuutta aivojen ja selkäytimen ja kehon välillä. Hermoston sairauksien mallintaminen in vitro Tautimekaniikan tutkimus Hermosolujen toiminnallisuuden tutkiminen Lääkeaineiden testaus Hermosolujen toksikologiset kokeet terve myeliini 12

13 Kuvaa ei voi näyttää nyt. Hermosolujen toiminnalliset mittaukset Mäkinen et al Heikkilä et al Hermoverkon muodostuminen in vitro: time lapse 24h Video: Susanna Narkilahti 13

14 Lääkekehitys ips-solut työhevosina Yleisimmät kuolinsyyt maailmanlaajuisesti (WHO 2018) 31% Sydän ja verisuonisairaudet 31% 34 % 31 % 17% Syövät 17% Keuhkoahtaumatauti 6% 3 % 4 % 5 % 6 % 17 % 6% Hengitystietulehdukset 5% Alzheimer 4% Diabetes 3% Muut 34% 14

15 ips-solumallit lääkekehityksessä ips-soluista erilaistetut solut tarjoavat in vitro malleja moniin sairauksiin Lääkekehitys valtava maailmanlaajuinen bisnes Lääkebisneksen arvioitu kokonaisarvo vuonna 2017 noin 1,1 biljoonaa USD (statista.com). Suomessa markkinoiden arvo 2,4 miljardia euroa (Kauppalehti.fi 2017). ips-solumallit vähentävät eläinmallien käyttöä Ihmisestä johdetut ips-solumallit ovat fysiologisesti lähempänä ihmistä kuin eläinmallit. Ei-toivotut sivuvaikutukset Haitalliset sivuvaikutukset johtavat lääkkeiden vetämiseen markkinoilta ja merkittäviin tappioihin lääkekehityksessä. Yksilöity lääketiede Eri potilaiden tautimalleja vertailemalla voidaan löytää sopivin lääkevaihtoehto kullekin potilaalle. Lääkekehityksen vaiheet Lääkekehityksen kallein vaihe: perustutkimus Perustutkimuksessa löydetään uusi taudin syntyä tai kulkua estävä lääkinnällinen kohde Kemiallinen kehitystyö räätälöi kohteeseen sopivan molekyylin Vuosien työn jälkeen lääke testataan eläimillä Lääkekehityksen pisin vaihe: kliiniset tutkimukset Prekliinisten tutkimusten perusteella suurin osa tutkituista molekyyleistä tiputetaan kehityksestä pois ja vain muutamiin lupaavimpiin satsataan paljon rahaa Eläimissä saadut tulokset eivät välttämättä toteudu kliinisissä kokeissa ihmisillä josta saattaa johtua todella kalliita tappioita kun lupaava lääke joudutaan vetämään pois kehityksestä 15

16 ips-solut lääkekehityksen työhevosina Potilaiden tautimalleilla voidaan turvallisesti testata uusia arvaamattomia lääkemolekyylejä Muokattu Papapetrou 2016 ja Müller et.al ips-solut lääkekehityksen työhevosina Solunäytteitä voidaan käsitellä automatisoiduilla testeillä tuhansia päivässä Ncardia.com ips-soluista erilaistettuja soluja voidaan kasvattaa ja tutkia pienissä tilavuuksissa. Kuoppalevyjen lukijat pystyvät analysoimaan tuhansia näytteitä päivässä. Erilaisia automatisoituja laitteita on saatavilla erilaisia biologisia määrityksiä varten. Suuri määrä näytteitä johtaa suureen määrään tuloksia, joiden analysoimiseen tarvitaan erikoistuneita ohjelmia ja osaajia. Hamamatsu.com Inglese et.al

17 Esimerkkejä 1. Yksilöity lääketiede Optimoitu lääkehoito CPVT rytmihäiriöpotilaille Katekoliamiiniherkkä monimuotoinen kammiotakykardia (CPVT) on vakava perinnöllinen rytmihäiriösairaus. Se johtuu pääasiassa sydänsolujen sarkoplasmakalvoston kalsiumionikanavan mutaatioista. Mutaation johdosta kalsiumaineenvaihdunta on häiriintynyt etenkin veren adrenaliinipitoisuuden noustessa. Tästä johtuen potilailla esiintyy rytmihäiriöitä fyysisen tai psyykisen rasituksen aikana jotka voivat johtaa äkkikuolemaan. Optimaalista lääkehoitoa ei ole vielä löydetty 17

18 Fyysinen tai psyykkinen stressi aiheuttaa epänormaaleja kalsiumpurkauksia sydänsolujen sarkoplasmakalvostosta jotka johtavat rytmihäiriöitä potilailla CPVT potilaista johdetuilla ips-soluista erilaistetuilla sydänsoluilla voidaan mallintaa juuri heidän rytmihäiriöitään ja optimoida lääkehoitoa laboratorioolosuhteissa lepo stressi Penttinen et.al Normaali RYR2 Mutantti RYR2 Normaali Epänormaali Novak et.al Muokattu Müller et.al Silmänpohjan ikärappeuma (AMD) Ensimmäinen kliininen koe maailmassa ips-soluilla ips-soluista erilaistettuja RPE soluja transplantoitiin kahteen potilaaseen Japanissa 2014 Taudin eteneminen pysähtyi ja näkö kohentui ensimmäisessä potilaassa Toiseen potilaaseen transplantoiduissa ips-rpe soluissa havaittiin mutaatioita Tutkimus keskeytettiin 2015 mutta sitä aiotaan jatkaa allogeenisilla soluilla 18

19 Ensimmäinen ihmiseen transplantoitu ips-soluista erilaistettu solumassa 3. Duchennen lihasdystrofia (DMD) Uusi hoitokeino solusiirteellä tai perimän muokkauksella Pojilla esiintyvä lihasheikkoustauti joka johtuu lihaksen rakenneproteiinin, dystrofiinin, mutaatioista Oireet näkyvät jo lapsena ja teiniiässä potilas on jo pyörätuolissa Ei olemassa vielä parannuskeinoa mutta taudin etenemistä voidaan hidastaa steroideilla ips-solujen avulla on kehitteillä uusia hoitokeinoja tähän harvinaiseen sairauteen Asadi et.al

20 DMD potilaalla eksonien 8 ja 9 deleetio dystrofiiniä koodaavassa geenissä johtaa lukuraamin vaihdokseen ja STOP kodoniin ja täysin epänormaaliin dystrofiiniproteiiniin. Dystrofiini ilmentyminen korjattiin ips-soluista erilaistetuissa sydänsoluissa CRISPR/Cas9 teknologian avulla. Eksonit 3-9 poistettiin, jolloin geenin lukuraami palautui ja dystrofiini-proteiinista kehittyi vain hieman normaalia lyhyempi. Dystrofiinimutaation aiheuttama epänormaali sykintä ja kalsiumaktiivisuus korjautui ipssoluista erilaistetuissa sydänsoluissa Kyrychenko et.al Dystrofiinin ilmentyminen korjattiin koirien ja hiirien luustolihaksessa viemällä CRISPR/Cas9 konstrukti lihaskudokseen adenovirusvektorin avulla: SEURAAVAKSI IHMISESSÄ! Koirissa Amoasii et.al Hiirissä Amoasii et.al

21 4. Ihmisen varaosia ips-soluista Saksalainen yhtiö luo sydänlihaskudosta laboratoriossa Sydän ja verisuonitaudit suurin yksittäinen kuolinsyy maailmassa. Sydämen vajaatoiminta, sepelvaltimotauti ja sydänkohtaukset rasittavat ja vaurioittavat sydänlihasta Sydänlihaksen vaurioituminen ja arpeutuminen on vakava ongelma johon ei ole parantavaa hoitoa ips-soluista voidaan erilaistaa sydänsoluja, joita voidaan kasvattaa laboratoriossa ja käyttää mahdollisesti sydänlihasvaurioiden hoidossa Tiburcy et.al

22 5. Kantasoluista ihmisen varaosia? Rasvan kantasoluista on valmistettu potilaalle uusi leukaluu Aikuisen kantasoluista, jotka on kerätty potilaalta itseltään, on valmistettu uusi leukaluu kasvattamalla se ensin muotissa potilaan vatsalihaksessa. Kliinisissä sovelluksissa on tärkeää ottaa huomioon hylkimisreaktio ja immuunivaste Potilaan omat solut lähtömateriaalina Potilasspesifiset ips-solut soveltuvat myös lähtömateriaaliksi jos niiden tuottamisessa ei käytetä eläinperäisiä reagensseja Kuvat: Susanna Miettinen, Tampereen yliopisto Luutuneen biomateriaalin istutus paikalleen leukaluuhun rasvakudos Yläleukaluun puutos syövän takia. Puuttuvan palan mallintaminen ja biomateriaalin valmistaminen 2kk operaation jälkeen Rasvan kantasolujen istutus biomateriaaliin ja kasvatus potilaan vatsalihaksessa 6kk 28kk operaation jälkeen rasvasolut Eristys ja lisääminen hermosolut Luun ja ruston solut verisolut Erilaistus moneksi eri solutyypiksi Adapted from Wellen and Hotamisligil 2003, Hotamisligil

23 Kimbrel ja Lanza2015 Kimbrel ja Lanza

24 ips solujen haasteet Lisätutkimuksia tarvitaan turvallisten hoitojen takaamiseksi ips-solujen syöpäriski Geenieditoitujen ips-solulinjojen off-target mutaatiot Erilaistettujen solujen kypsyys Puuttuva data pitkäaikaisseurannasta transplantaatiokokeissa Menetelmien hitaus ja kalleus In vitro in vivo Yhteenveto ips-soluilla on valtava potentiaali tulevaisuuden lääketieteessä Tautimallinnus Lääkekehitys Yksilöity lääketiede Useita tautimalleja pystytty luomaan ips-soluteknologialla. ips-solut tarjoavat ehtymättömän solujen lähteen tutkimuksen käyttöön. ips-soluista erilaistetuilla solutyypeillä voidaan mallintaa ja tutkia eri solutyyppejä koskevia tauteja. Voidaan tutkia tautimekaniikkaa ja solujen vasteita eri olosuhteissa. Ei eettisiä ongelmia alkion kantasoluihin tai eläinkokeisiin verrattuna. ips-soluilla pystytään tehokkaasti ja turvallisesti testaamaan uusia lääkeaineita. ips-solut voidaan valjastaa lääkekehityksen ja teollisuuden käyttöön uusien kemiallisten yhdisteiden tutkimusta ja toksikologisia mittauksia varten. ips-soluilla voidaan skriinata suuria määriä yhdisteitä turvallisesti potilaista tuotetuilla soluilla. Tuotekehitys tehostuu epäspesifisten eläinkokeiden jäädessä pois. Potilasspesifiset ips-solut avaavat mahdollisuuden tutkia yksilöllisiä lääkehoitoja. Potilaat joilla on sama tauti, eivät välttämättä reagoi samaan hoitoon samalla tavalla. ips-solut kantavat samat tautiin vaikuttavat mutaatiot kuin potilaat josta ne on johdettu. Lääkekehitys voi käyttää potilasspesifisiä ipssoluista erilaistettuja soluja selvittääkseen parhaat mahdolliset lääkehoidot tietyille tautiin johtaville geenivirheille. 24

25 Kiitos! Kysymyksiä saa esittää myös luennon jälkeen Risto-Pekka Pölönen References Amoasii, L., Hildyard, J. C. W., Li, H., Sanchez-Ortiz, E., Mireault, A., Caballero, D.,... Olson, E. N. (2018). Gene editing restores dystrophin expression in a canine model of duchennemuscular dystrophy.science (New York, N.Y.), 362(6410), doi: /science.aau1549 Amoasii, L., Long, C., Li, H., Mireault, A. A., Shelton, J. M., Sanchez-Ortiz, E.,... Olson, E. N. (2017). Single-cut genome editing restores dystrophin expression in a new mouse model of muscular dystrophy.science Translational Medicine, 9(418) doi: /scitranslmed.aan8081 Heikkilä, T. J., Ylä-Outinen, L., Tanskanen, J. M. A., Lappalainen, R. S., Skottman, H., Suuronen, R.,... Narkilahti, S. (2009). Human embryonic stem cell-derived neuronal cells form spontaneously active neuronal networks in vitro.experimental Neurology, 218(1), doi: /j.expneurol Kiamehr, M. (2019). Induced pluripotent stem cell-derived hepatocyte-like cells : The lipid status in differentiation, functionality, and de-differentiation of hepatic cellstampereenyliopisto. Retrieved from Kimbrel, E. A., & Lanza, R. (2015). Current status of pluripotent stem cells: Moving the first therapies to the clinic.nature Reviews. Drug Discovery, 14(10), doi: /nrd4738 Kyrychenko, V., Kyrychenko, S., Tiburcy, M., Shelton, J. M., Long, C., Schneider, J. W.,... Olson, E. N. (2017). Functional correction of dystrophin actin binding domain mutations by genome editing.jci Insight, 2(18) doi: /jci.insight Mäkinen, M., Joki, T., Ylä-Outinen, L., Skottman, H., Narkilahti, S., & Aänismaa, R. (2013). Fluorescent probes as a tool for cell population tracking in spontaneously active neural networks derived from human pluripotent stem cells.journal of Neuroscience Methods, 215(1), doi: /j.jneumeth Müller, M., Seufferlein, T., Illing, A., & Homann, J. (2013). Modelling human channelopathiesusing induced pluripotent stem cells: A comprehensive review. StemCells International, 2013, doi: /2013/ Novak, A., Barad, L., Lorber, A., Gherghiceanu, M., Reiter, I., Eisen, B.,... Binah, O. (2015). Functional abnormalities in ipsc-derived cardiomyocytes generated from CPVT1 and CPVT2 patients carrying ryanodine or calsequestrinmutations. Journal of Cellular and Molecular Medicine, 19(8), doi: /jcmm Nowakowski, A., Andrzejewska, A., Janowski, M., Walczak, P., & Lukomska, B. (2013). Genetic engineering of stem cells for enhanced therapy.actaneurobiologiaeexperimentalis, 73(1), Ojala, M. (2015). Cardiac differentiation of pluripotent stem cells and modeling hypertrophic cardiomyopathytampere University Press. Retrieved from Omole, A. E., & Fakoya, A. O. J. (2018). Ten years of progress and promise of induced pluripotent stem cells: Historical origins, characteristics, mechanisms, limitations, and potential applications.peerj, 6, e4370. doi: /peerj.4370 Papapetrou, E. P. (2016). Induced pluripotent stem cells, past and future.science (New York, N.Y.), 353(6303), doi: /science.aai7626 Penttinen, K., Swan, H., Vanninen, S., Paavola, J., Lahtinen, A. M., Kontula, K., & Aalto-Setälä, K. (2015). Antiarrhythmic effects of dantrolenein patients with catecholaminergic polymorphic ventricular tachycardia and replication of the responses using ipsc models.plosone, 10(5), e doi: /journal.pone Takahashi, K., & Yamanaka, S. (2013). Induced pluripotent stem cells in medicine and biology.development (Cambridge, England), 140(12), doi: /dev Tiburcy, M., Hudson, J. E., Balfanz, P., Schlick, S., Meyer, T., Chang Liao, M.,... Zimmermann, W. (2017). Defined engineered human myocardium with advanced maturation for applications in heart failure modeling and repair.circulation, 135(19), doi: /circulationaha Wellen, K. E., & Hotamisligil, G. S. (2003). Obesity-induced inflammatory changes in adipose tissue.the Journal of Clinical Investigation, 112(12), doi: /jci20514 Zeilinger, K., Freyer, N., Damm, G., Seehofer, D., & Knöspel, F. (2016). Cell sources for invitro human liver cell culture models. ExperimentalBiologyand Medicine(Maywood, N.J.), 241(15), doi: /