Kehomme koostuu miljardeista soluista, jotka

Transkriptio

1 Immunologia Jussi Liippo ja Olli Lassila Kantasolujen geneettisen ohjelman ja erilaistumisympäristön selvittäminen on lääketieteellisen tutkimuksen keskeisiä kysymyksiä. Viimeaikaiset tutkimukset ovat osoittaneet jen kyvyn erilaistua ihmisen eri kudoksiksi ja vaurioiden korjaajiksi. Alalla on potentiaalia, mutta vasta tulevaisuus näyttää, mitä todellisia uusia innovaatioita tutkimuksesta syntyy. Ovatko ne uusia, vielä tuntemattomia erilaistumisgeenejä vai lääkkeenomaisesti nautittavia pienimolekyylisiä yhdisteitä, jotka aktivoivat ja säätelevät potilaan omien jen toimintaa? Vaikka kokeellinen tutkimus on avaamassa uusia näkymiä sairauksien hoitoon, uudet hoidot ovat todellisuutta vasta vuosien päästä. Veren ja immuunijärjestelmän jen tutkimustulokset ovat toimineet keskeisinä molekyyli- ja solutason malleina muiden kudosten jen kehittymisen ja toiminnan tutkimuksessa. Kehomme koostuu miljardeista soluista, jotka syntyvät, toimivat aikansa ja kuolevat pois. Jotta kehomme solujen määrä pysyy vakiona, uusia soluja pitää muodostua koko ajan. Ihmisessä syntyy joka sekunti kuusi miljoona punasolua eli noin triljoona punasolua päivässä korvaamaan tuhoutuvia soluja. Mistä nämä kaikki uudet solut tulevat? Uudet solut syntyvät ista, joita voidaan kutsua elimistön solutehtaiksi. Jakaantuessaan tuottaa elimistön eri tehtäviin erikoistuneita soluja sekä uusia ja. Normaalisti jen erilaistuminen ja uusiutuminen ovat samanaikaisia prosesseja; osa kopioituu uusiksi iksi ja osa erilaistuu elimistön eri esiastesoluiksi. Muista soluista poiketen t jakautuvat epäsymmetrisesti kahdeksi erilaiseksi soluksi, joista toinen on aina emosolun kaltainen uusi. Kantasolujen itseään uudistavaan kykyyn liittyy myös potentiaalisia vaaroja. Erilaisten kasvua normaalisti rajoittavien ja ohjaavien geenien mutaatioiden kautta voi syntyä tilanne, jossa t uusiutuvat liian nopeasti ja seurauksena saattaa olla rajoittamaton kasvu ja syövän synty, kuten leukemiassa. Erilaistumisen tapahduttua liian nopeasti tai jen tuhouduttua esimerkiksi säteilyn vaikutuksesta seuraa elimistön ennenaikainen rappeutuminen. Kantasolujen uusiutumiskyky yhdistyneenä niiden erilaistumiseen tekee näistä soluista ainutlaatuisia. Vuosikausia on tutkittu menetelmiä, joiden avulla t voidaan saada korvaamaan sairastuneita tai vaurioituneita soluja ja kudoksia (McKay 2000, Weissman 2000). Kantasolujen muuntautumiskyky eli plastisuus on tätä nykyä alan tutkimuksen kuumimpia kohteita. Kantasoluja on kokeellisesti saatu väkisin erilaistumaan moniin eri suuntiin. Näyttää kuitenkin ilmeiseltä, että vaikka ns. transdifferentaatiota tapahtuisikin, se on hyvin harvinaista ja vielä huonosti ymmärrettyä (Terada 2002, Wagers 2002, Verfaillie 2002, Liu 2003). Kantasolut ja regeneratiivinen lääketiede Nykyinen lääketiede perustuu suurelta osin pienimolekyylisiin lääkkeisiin, joita käytetään vain estämään patologisia muutoksia. Tämän jälkeen elimistö hoitaa itse korjaavat prosessit. Vielä- Duodecim 2003;119:

2 kään ei tiedetä tarkkaan, mitkä solut itse asiassa huolehtivat elimistön ja kudosten korvaamisesta. Verta muodostavien jen siirrot ovat jo nyt osa vakiintunutta hoitoa, ja ne ovat parhaiten tunnettuja regeneratiivisen lääketieteen saavutuksia potilaiden hoidossa (Remes 1998). Biolääketieteellisen tutkimuksen suuria uutisia ovat uusien solukorvaushoitojen lupaavat tulokset. Parkinsonin taudin ja muutaman muun hermoston rappeutumistaudin hoitona on kokeiltu sikiön hermosolujen siirtoja (Castren ja Castren 2001). Haiman saarekesolujen siirroilla on saavutettu väliaikaisia tai pysyviä paranemisia diabeteksessa (Sariola ja Otonkoski 2001). Solukorvaushoitojen ongelmana on siirrettävien solujen vaikea saatavuus ja niiden hyljintä elimistössä. Tämän takia tutkimukseen on kohdistettu kovia odotuksia. Kantasolujen hyödyntämisen avainkysymys korvaushoidoissa näyttää olevan se, minkälaisia ja missäkin tilanteessa voidaan käyttää. Vaihtoehtoina ovat potilaasta eristetyt t, alkion t ja linjat. Alkioiden käyttö on edelleen kiistanalaista. Toisaalta kudoshyljintä muodostuu ongelmaksi, kun käytetään vieraita (allogeenisia) ja. Tämä voidaan välttää tumansiirrolla siirtämällä potilaan tuma tumattomaan munasoluun, josta pyritään kasvattamaan ja. Kantasolututkimuksen eettiset kysymykset Kantasolututkimus on myös joutunut eettisen väittelyn keskipisteeksi. On selvää, että kaikkea ihmisen jen käyttöä tulee valvoa juridisesti. Erityistä huolta kannetaan jen käytöstä kloonaustarkoituksiin (Sihvola 2001). Tätä huolta eivät vähennä runsaasti julkisuutta saavat uutisankat. Kantasolujen tärkeä odotettavissa oleva kliininen käyttöalue on kuitenkin solusiirteiden tekeminen vaurioituneiden tai tuhoutuneiden kudosten korvaamiseksi. Asiantuntijat ovat varsin yksimielisiä siitä, että tiedon hyödyntäminen lääketieteessä edellyttää panostamista alan perustutkimukseen. Lisäksi on tärkeää, että lainsäädäntö ja valvonta eivät muodostu esteeksi alan kehittämiselle. Veren jen erilaistuminen Punasolut ja elimistön immuunipuolustuksesta huolehtivat solutyypit erilaistuvat luuytimen monikykyisestä hematopoieettisesta sta. Verisolujen kypsyminen on kehitysbiologian eniten tutkittuja ja ehkä myös parhaiten tunnettuja erilaistumistapahtumia (kuva). Muihin kudoksiin verrattuna veren ja luuytimen soluja ja niiden esiasteita on ollut helppo eristää ja puhdistaa erilaisia koejärjestelyjä ja tutkimusta varten. Luuydin- ja siirroilla on selvitetty kypsyydeltään toisistaan poikkeavien soluryhmien kykyä erilaistua veren eri solutyypeiksi. Varhaisten jen ja kypsien solujen väliin on näin voitu luokitella erilaistumistaan vielä läpikäyvä esiastesolujen ryhmä. Näillä prekursorisoluilla on ja suppeampi erilaistumiskyky, mutta niillä on kuitenkin vielä mahdollisuus ohjautua useammalle kuin yhdelle erilaistumislinjalle. Poistogeeniset eläin- ja solulinjamallit ovat osoittaneet, että tietyt geeniluentaa säätelevät geenit (transkriptiotekijät) säätelevät sekä varhaista sikiökautista verenmuodostusta että aikuisen yksilön veren jen erilaitumista luuytimessä (Georgopoulos ym. 1997, Orkin 2000). Poistogeeniset hiirimallit ovat antaneet tärkeää tietoa siitä, mitkä geenit säätelevät veren eri kehityslinjojen erilaistumista ja missä kehitysvaiheessa kyseistä geeniluentaa säätelevät tekijät ovat tarpeellisia (kuva). Solunsisäisten geenisäätelytekijöiden ja niiden erilaisten geenituotteiden toiminnan selvittämisellä on keskeinen merkitys biologian ja jen lääketieteellisten sovellusten kehittämisessä (Zon 2001). Kantasolujen sikiökautinen alkuperä Aikuisen yksilön veren t paikantuvat pääosin luuytimeen ja osin myös kiertävään vereen. Kehitysbiologista tutkimusta väritti pitkään kuitenkin keskustelu niiden sikiökautisesta alkuperästä. Alkiota ympäröivän ruskuaispussin ajateltiin olevan ensimmäinen ja ainoa jen ilmentymispaikka. Lintujen varhaisilla alkioilla tehdyissä tutkimuksissa, joissa siirrettiin yhden lajin alkio toisen lajin ruskuais- 758 J. Liippo ja O. Lassila

3 Endoteelin Ventraalinen mesodermi SCL AML1 Veren Lmo2 Gata-2 Ikaros Myelooinen Kuva. Kaavio veren ja verisuonten jen erilaistumisesta. Alkion ventraalisessa mesodermissa muodostuu monikykyisiä ja, hemangioblasteja, jotka erilaistuvat verisolujen ja verisuonten seinämän endoteelisolujen iksi. Veren hematopoieettiset t kypsyvät useiden esiastevaiheiden kautta kypsiksi auttaja- ja tappaja-t-soluiksi sekä vasta-aineita tuottaviksi B-soluiksi. Toista erilaistumisreittiä pitkin tapahtuu punasolujen, verihiutaleita tuottavien solujen ja erilaisten syöjäsolujen muodostuminen. Solunsisäiset geenisäätelytekijät yhdessä solujen ympäristöstä tulevien signaalien kanssa ohjaavat erilaistumista ja kypsymistä. Joitain keskeisiä esimerkkejä näistä tekijöistä on esitetty kuvassa (SCL, AML1, Lmo2, Gata-2, PU.1, Ikaros, Pax-5, Gata-3, Aiolos). PU.1 Hemangioblasti Lymfaattinen Pax-5 Gata-3 B-solujen esiasteet Aiolos T-solujen esiasteet pussin keskelle, voitiin kuitenkin osoittaa jen muodostuvan embryon omissa rakenteissa (Lassila ym. 1978). Nyt tiedetäänkin ruskuaispussilla olevan vain lyhytaikainen merkitys veren varhaisessa muodostuksessa. Ensimmäisten jen tarkka syntypaikka on myöhemmin saatu selville tekemällä koe-eläinmalleissa erilaisten anatomisten rakenteiden»elinsiirtoja». Näin on osoitettu, että sikiökautisen aortan etupinnan seinämällä on keskeinen merkitys veren jen synnyssä (Dzierzak 2002, Thiesse ja Zon 2002). Tietyssä ajallisessa kehitysikkunassa aortan seinämään muodostuvasta solukosta putkahtaa suonen sisälle soluja, joilla on kyky erilaistua, ei ainoastaan veren soluiksi vaan myös verisuonten seinämäsoluiksi. Näiden hemangioblasteiksi kutsuttujen solujen ajatellaan olevan veren jen ja verisuonten seinämän endoteelisolujen yhteinen alkumuoto. Muutamia päiviä myöhemmin monikykyisten jen kertymiä esiintyy myös aortan edessä olevassa mesenkymaalisessa kudoksessa (Godin ja Cumano 2002). Vähitellen t siirtyvät kypsymään aortan sekä sukupuolirauhasten ja munuaisten kehitysaiheiden muodostamaan anatomiseen rakenteeseen ja myös sikiökautiseen maksaan. Kantasolut pääsevät näin ympäristöön, joka sallii niiden kasvun esimerkiksi kohti kasvupotentiaaliltaan selvästi rajoittuneempia valkosolujen esiasteita. Lopullinen kypsyminen esimerkiksi toimiviksi immuunipuolustuksen syöjä- ja tappajasoluiksi sekä vasta-aineita tuottaviksi soluiksi tapahtuu valtaosin kateenkorvassa ja luuytimessä (Rothenberg 2000). Sikiökehityksen jälkeen luuydin toimii veren jen tärkeimpänä varastona läpi koko elämän. Kantasolujen erilaistumisen säätely Ihmisen koko geeniperimän rakenteen nyt selvittyä keskeiseksi kysymykseksi myös biologiassa on noussut jen valtavan erilaistumispotentiaalin säätely ja ohjaus. Varhain ilmestyvinä ja monikykyisinä soluina illa on oltava geneettinen valmius suuntautua monille vaihtoehtoisille kasvu-urille, joiden välisiin valintoihin erilaiset ympäristöstä tulevat ulkopuoliset kasvu- ja erilaistumissignaalit vaikuttavat (Georgopoulos ym. 1997, Liippo 759

4 ym. 2000, Orkin 2000). Kantasolut todennäköisesti muodostuvat heterogeenisesta joukosta soluja, joilla on kyky erilaistua eteenpäin ainoastaan niiden joutuessa oikeaan paikkaan oikeassa kehitysvaiheessa. Ulkoiset kasvutekijät vain valikoinevat esiin ne monikykyiset t, joilla jo on sattumanvaraisesti syntynyt valmis esiviritys ja herkkyys kasvaa kohti tiettyä kypsää solukkoa. Tämän pohjalta voidaan ymmärtää paremmin myös jen suurta plastisuutta ja sitä, että ja on kokeellisesti saatu erilaistumaan moniin eri suuntiin. Normaalitilanteessa kateenkorvaan joutunut monikykyinen solu alkaa todennäköisesti vähentää mahdollisuuksiaan kohti vaihtoehtoisia kehityslinjoja ja kypsyy vähitellen T-soluksi. Aivan samoin anemian stimuloima punasolukasvutekijä erytropoietiini kiihdyttää punasolujen tuotantoa luuytimen ista. Luuydin antaa potentiaalisen ympäristön jen kehittymiselle ja ylläpidolle. Veren jen lisäksi luuytimestä on löydetty myös toinen mielenkiintoinen populaatio: mesenkymaaliset t. Niitä esiintyy useissa eri kudoksissa kehityksen aikana, ja aikuisiällä niitä havaitaan luuytimessä. Nykytietämyksen valossa mesenkymaalisia ja voidaan eristää, viljellä maljalla ja stimuloida erilaistumaan uudelleen luu-, rusto-, lihas- tai rasvakudosta muodostaviksi soluiksi. Laajan erilaistumiskapasiteetin perusteella mesenkymaalisiin ihin asetetaan paljon toiveita ns. kudoksia korjaavassa lääketieteessä tapauksissa, joissa keho ei itse kykene korjaamaan jo aiheutuneita vaurioita. Mesenkymaalisten jen käyttö luuta ja rustoa muodostavina soluina tulee olemaan merkittävä edistysaskel luu- ja rustovaurioiden korjaamisessa (Jiang ym. 2002). Kantasolujen ohjelmointi Kasvuun ja erilaistumiseen liittyy luonnollisesti jen jatkuvaa ja dynaamista geenipohjaista säätelyä. Monikykyisellä lla on»avoimena» useita vaihtoehtoisia geeniohjelmia, jotka asteittain vähenevät erilaistumisen aikana. Geenisäätelytekijät muokkaavat tarpeettomat geenialueet inaktiiviseen ja sulkeiseen muotoon, samalla kun ne aktivoivat toisia geenejä, jotka ovat tärkeitä kyseisen solun kypsymiselle ja toiminnalle. Geeniohjelmointi muovaa entsymaattisesti solun perintöaineksen eli kromatiinirihmaan sidoksissa olevan DNA-nauhan rakennetta niin, että vain oikeat geenit voivat ilmentyä ja toimia (Workman ja Kingston 1998). Tämä kromatiinin rakenteeseen perustava geenisäätely varmistaa valikoituneen erilaistumislinjan jatkumisen myös erilaistuvien solujen vilkkaan jakautumisen aikana. Valikoitunut geeniohjelma periytyy perintöaineksen rakenteeseen kytkeytyneenä jakautumisessa syntyville tytärsoluille. Kantasolujen perintöainesta ja sen periytyvää rakennetta rikkova säätelyhäiriö johtaakin helposti pahanlaatuiseen kasvuun ja syövän syntyyn (Liippo ym. 2001). Kantasolujen geenisäätelyn ja siihen osallistuvien tekijöiden toiminnan selvittämisellä on keskeinen merkitys, kun yritetään luoda turvallisia menetelmiä ja hoidollisia sovelluksia jen kasvatukselle in vitro. Uusia hoitomuotoja etsimässä Kantasoluviljelmät ovat tutkimuksen kohteena, jotta ymmärtäisimme ihmisen kehityksen varhaisvaiheista enemmän. Soluviljelmissä on saatu ista sydänlihassolujen tapaan sykkiviä soluja ja insuliinia tuottavia soluja, jotka ovat useilla eri kriteereillä arvioituna ihmisen haiman insuliinintuottajien eli beetasolujen kaltaisia. Emme kuitenkaan vielä ymmärrä, mikä saa aikaan näiden solujen erilaistumisen. Näitä erilaistuneita soluja tutkimalla pyritään selvittämään ne tekijät, jotka ohjaavat solun erilaistumista tietyksi kudokseksi. Kun ymmärrämme, miksi erilaistuu haiman soluksi, voimme ehkä tulevaisuudessa tuottaa lisää haiman soluja jen avulla ja korvata niillä diabeetikon tuhoutuneet beetasolut ja näin parantaa taudin. Myös sydäntaudeissa t kulkeutuvat sydämeen ja korjaavat muutoksia, jotka liittyvät sepelvaltimotautiin, verenpainetautiin ja kardiomyopatioihin. Tällä tavalla sydämen uudistumiskyky tarjoaa aivan uusia hoitomuotoja sydänlihastuhon toiminnalliseen korjaamiseen (McKay 2000). 760 J. Liippo ja O. Lassila

5 Ydinasiat Kantasolut Kantasolu pystyy jakautumaan loputtomasti ja samalla säilyttää kyvyn tuottaa sekä uusia erilaistumattomia ja että erilaistuneita jälkeläisiä, mukaanluettuina toiminnallisesti täysin kypsät solut. Kantasolun jälkeläisillä on geneettinen valmius erilaistua eri suuntiin ympäristön signaalin mukaan. Sikiökehityksen aikana veren jen tuottopaikka siirtyy kudoksesta toiseen. Aikuisilla ja on pääosin luuytimessä ja osin veressä. Hemangioblastin ajatellaan tuottavan sekä veren että endoteelin ja. Kliininen merkitys Kantasolut Vertamuodostavien jen siirrot ovat rutiinia, muut solukorvaushoidot ovat lupaavia, mutta vasta kehitteillä. Solusiirteisiin ja voidaan eristää potilaista, alkion ista tai viljelmistä. Kantasolujen toimintahäiriö voi johtaa syöpään (liiallinen jakautuminen tai erilaistumishäiriö) tai rappeumaan (uusien solujen puutteellinen tuotto). Kantasoluhoidot vaativat selkeitä eettisiä pelisääntöjä ja lainsäädäntöä. Kirjallisuutta Castren E, Castren M. Hermosolusiirteet neurologisten tautien hoidossa. Duodecim 2001;117: Dzierzak E. Hematopoietic stem cells and their precursors: developmental diversity and lineage relationships. Immunol Rev 2002;187: Georgopoulos K, Winandy S, Avitahl N. The role of the Ikaros gene in lymphocyte development and homeostasis. Annu Rev Immunol 1997;15: Godin I, Cumano A. The hare and the tortoise: an intraembryonic haematopoietic race. Nat Rev Immunol 2002;2: Jiang Y, Jahagirdar BN, Reinhardt RL, ym. Pluripotency of mesenchymal stem cells derived from adult marrow. Nature 2002;418:41 9. Lassila O, Eskola J, Toivanen P, Martin C, Dieterlen-Lièvre F. The origin of lymphoid stem cells studied in chick yolk sac-embryo chimaeras. Nature 1978;272: Liippo J, Nera K-P, Kohonen P, ym. The Ikaros family and the development of early intraembryonic hematopoietic stem cells. Curr Topics Microbiol Immunol 2000;251:51 8. Liippo J, Nera K-P, Veistinen E, ym. Normal and leukemic B lymphocytes express multiple isoforms of the human Aiolos gene. Eur J Immunol 2001;31: Liu Y, Rao MS. Transdifferentiation fact or artifact. J Cell Biochem 2003:88: McKay R. Stem cells hype and hope. Nature 2000;406: Orkin SH. Stem cell alchemy. Nat Med 2000;6: Remes K. Soluterapia. Duodecim 1998;114:1269. Rothenberg EV. Stepwise specification of lymphocyte developmental lineages. Curr Opin Genet Dev 2000;10: Sariola H, Otonkoski T. Solukorvaus- ja hoidot tulevat. Duodecim 2001;117: Sihvola J. Eettinen vastuu on kannettava. Duodecim 2001;117: Therada N, Hamazaki T, Oka M, ym. Bone marrow cells adopt the phenotype of other cells by spontaneous cell fusion. Nature 2002:416: Thiesse C, Zon L. Organogenesis heart and blood formation from the zebrafish point of view. Science 2002;295: Verfaillie CM. Adult stem cells: assessing the case for pluripotency Trends Cell Biol 2002;15: Wagers AJ, Sherwood RI, Christensen JL, Weissman IL. Little evidence for developmental plasticity of adult hematopoietic stem cells. Science 2002;297: Weissman IL. Stem cells: units of development, units of regeneration, and units in evolution. Cell 2000;100: Workman JL, Kingston RE. Alteration of nucleosome structure as a mechanism of transcriptional regulation. Annu Rev Biochem 1998; 67: Zon L. Hematopoiesis. A developmental approach. Oxford University Press, JUSSI LIIPPO, LT OLLI LASSILA, professori olli.lassila@utu.fi Turun yliopisto, Turun biolääketieteellinen tutkijakoulu (TuBS), lääketieteellinen mikrobiologia Kiinamyllynkatu Turku 761