Rosnące komórki serca tylko dla Ciebie

Patrząc przez mikroskop w Madison w stanie Wisconsin, obserwowałem bicie moich komórek serca na szalce Petriego. Wyglądały jak świecące czerwone krewetki bez ogonów, pulsowały i poruszały się bardzo powoli ku sobie. Powiedziano mi, że pozostawione na kilka godzin kardiomiocyty połączą się w kropelki, próbując uformować serce. Po bokach mnie byli naukowcy, którzy przeprowadzili eksperymenty, które, jak mieli nadzieję, ujawniły, czy moje komórki serca są zdrowe, czy są niezwykle wrażliwe na leki i czy nadmiernie się stresują, kiedy wchodzę po schodach.

Za oknami parku biurowego Cellular Dynamics International (CDI), gdzie obserwowałem intymną demonstrację tego, jak technologie komórek macierzystych mogą pewnego dnia łączyć się z osobistą genomiką i medycyną osobistą, padał śnieg. Byłem pierwszym dziennikarzem, który przeszedł eksperymenty mające na celu sprawdzenie, czy trwający od czterech lat proces, w którym powstają indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste (iPS) może dać wgląd w funkcjonowanie i los komórek serca zdrowej osoby. Podobne testy można przeprowadzić na wyhodowanych w laboratorium komórkach mózgu i wątroby lub ostatecznie na dowolnym z ponad 200 typów komórek występujących u ludzi. To kolejny krok w medycynie spersonalizowanej: możliwość testowania leków i innych czynników na różnych typach komórek – powiedział Chris Parker, dyrektor handlowy CDI, spoglądając mi przez ramię.

Ta historia była częścią naszego wydania z września 2011 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Naukowcy z CDI stworzyli mały kawałek mojego serca, pobierając komórki z mojej krwi i przeprogramowując je tak, aby powróciły do ​​stanu pluripotencjalnego, co oznacza, że ​​są w stanie wyrosnąć na dowolny typ komórki w ciele. Nauka, która to umożliwia, pochodzi z laboratorium współzałożyciela CDI i pioniera komórek macierzystych Jamesa Thomsona z University of Wisconsin, lidera jednego z dwóch zespołów, które odkryły proces komórek iPS w 2007 roku. Shinya Yamanaka z Uniwersytetu w Kioto.) Wyniki są podobne do wyników specjalnych komórek, które pojawiają się w embrionach kilka dni po zapłodnieniu.

Od końca 2008 roku firma produkuje kardiomiocyty i wysyła zamrożone komórki na suchym lodzie do naukowców akademickich w celu zbadania działania tych komórek, a także do naukowców z przemysłu farmaceutycznego do wykorzystania we wczesnych testach kandydatów na leki. Jednym z ważnych powodów użycia komórek jest to, że mogą one ujawnić, czy leki są toksyczne dla serca, co może przeoczyć inne rodzaje testów. Na rynek trafiło kilka leków o profilach kardiotoksycznych, co jest niedopuszczalne, mówi Parker. Mówi, że kardiomiocyty pochodzące z komórek iPS są ogromnym ulepszeniem w stosunku do komórek zwłok, które są czasami używane do testowania potencjalnych związków leków. W przeciwieństwie do komórek ze zwłok, komórki generowane przez IPS realistycznie biją i mogą być dostarczane w dużych ilościach na żądanie. Co więcej, komórki generowane przez iPS mogą mieć taki sam skład genetyczny jak pacjenci, od których pochodzą, co jest ogromną zaletą w dostosowywaniu leków i terapii do poszczególnych osób. Te wykonane na zamówienie ogniwa nie są jednak tanie. Dyrektor generalny Cellular Dynamics, Robert Palay, mówi, że standardowa fiolka z 1,5 miliona komórek kosztuje około 1500 USD.

Szczególnie sensacyjną perspektywą jest to, że komórki iPS można by przeszczepić pacjentom, aby mogli zregenerować chore lub uszkodzone kręgosłupy, mózg, serce lub inną tkankę – propozycja, która jest szczególnie kusząca, ponieważ komórki te nie zostałyby odrzucone przez organizm gospodarza. Mogą też rozładować polityczne kontrowersje wokół embrionalnych komórek macierzystych, ponieważ pewnego dnia mogą umożliwić pozyskiwanie komórek pluripotencjalnych bez niszczenia ludzkiego embrionu.

Jednak dla większości typów tkanek przeszczep jest oddalony o lata, mówi Alexander Meissner, badacz komórek macierzystych z Uniwersytetu Harvarda. Regeneracja tkanki mózgowej nie jest łatwa, mówi. To potrwa dłużej niż ludzie myślą. Thomson się zgadza. Mówi, że rozmowa o transplantacji była rodzajem irracjonalnego entuzjazmu. Proces wykorzystywania komórek iPS do tworzenia nowej tkanki nadal niesie ze sobą pewne zagrożenia: na przykład niektóre linie komórkowe zawierają mutacje, które mogą prowadzić do raka, a w niektórych przypadkach komórki zachowują słabą pamięć chemiczną swojej poprzedniej tożsamości jako skóry lub krwinek.

Thomson uważa, że ​​są to tymczasowe niepowodzenia. Mówi, że od dawna mamy przeszczep szpiku kostnego, który jest zasadniczo komórkami macierzystymi. Obecnie trwają prace nad wykorzystaniem komórek iPS do naprawy zwyrodnienia plamki żółtej. Ale naprawa uszkodzeń nerwów w kręgosłupie jest znacznie trudniejsza. Inni podzielają jego ostrożny optymizm. Praktycznie wszystko, co dotyczy komórek iPS, jest przereklamowane, mówi Chris Austin, dyrektor Chemical Genomics Center w National Institutes of Health. Ale w celu testowania kandydatów na leki, myślę, że możliwości są znaczne, a my i wiele innych osób dążymy do tego. Jest wiele problemów. Czy komórki iPS są naprawdę normalne? Jak uzyskać wystarczającą ilość czystych zróżnicowanych komórek? Ale zdecydowanie istnieje potencjał.

Świeci jasno: Warstwa komórek sercowych autora wygląda pod mikroskopem jak chaotyczna grudka.

Trzymanie się nauki
Po raz pierwszy odwiedziłem Jamesa Thomsona innego śnieżnego, mroźnego dnia w Wisconsin w 2008 roku, kilka tygodni po publikacji jego artykułu zapowiadającego komórki iPS pochodzące z komórek ludzkich. Zgrabny, rzeczowy mężczyzna w swobodnym swetrze i poobijanych dokerach siedział w małym biurze ozdobionym tropikalnymi rybami, paprociami i starą tarczą do rzutek i omawiał swoje pierwotne odkrycie ludzkich embrionalnych komórek macierzystych w 1998 roku. przed burzą protestów: przeciwnicy argumentowali, że zniszczenie ludzkiego embrionu w celu pobrania jego komórek macierzystych jest równoznaczne z morderstwem. Prezydent George W. Bush ograniczył większość funduszy federalnych na badania nad embrionalnymi komórkami macierzystymi w 2001 roku, a krytycy nadal oczerniają Thomsona, chociaż stara się on nie zwracać na siebie uwagi. Niewiele o tym mówię, powiedział. Trzymam się nauki.

Stworzenie komórek iPS w 2007 roku wydawało się eleganckim uzupełnieniem odkrycia z 1998 roku, ponieważ oferowało nowy sposób wytwarzania komórek macierzystych, które mogą różnicować się w dowolny typ komórek — taki, który może być w rzeczywistości lepszy, ponieważ komórki byłyby genetycznie identyczne własne pacjentów. To była ulga, że ​​możemy znaleźć rozwiązanie tej sytuacji politycznej i etycznej, powiedział Thomson. Przełom był jednak niespodzianką. Wiedzieliśmy, że proces iPS jest możliwy, powiedział, ale kiedy zaczynaliśmy, byłem pewien, że zajmie to co najmniej 10 lat. Thomson i doktorant z Wisconsin, Junying Yu, postanowili stworzyć komórki iPS poprzez modyfikację komórek skóry genami regulatorowymi normalnie występującymi tylko w embrionach. Powiedział, że metoda zaskoczyła wszystkich swoją pracą.

Thomson był współzałożycielem CDI w 2007 roku, mniej więcej w tym samym czasie, gdy kilku innych luminarzy komórek macierzystych zaangażowało się w firmy produkujące komórki iPS. Ci niedoszli konkurenci skupiają się jednak przede wszystkim na tworzeniu środków terapeutycznych. Wykorzystują komórki iPS, aby pomóc w identyfikacji i opracowywaniu kandydatów na leki oraz w projektowaniu procesów, które pewnego dnia mogą doprowadzić do przeszczepu. Jak dotąd CDI nie ma żadnych poważnych konkurentów na rynku, jeśli chodzi o sprzedaż objętościowych komórek generowanych przez iPS do wykorzystania w badaniach i badaniach przesiewowych leków. Po części dzieje się tak dlatego, że Thomson i jego zespół naukowy pracują dłużej, aby przezwyciężyć trudności w uprzemysłowieniu technologii. Tworzenie komórek iPS, które działają w dużych ilościach, jest trudne, mówi Meissner z Harvardu.

Prywatna firma nie przedstawiła szczegółowych wyników, ale jej dyrektor generalny powiedział lokalnej gazecie, że CDI uzyskuje wielomilionowe przychody ze sprzedaży komórek serca około 40 klientom, w tym większości dużych firm farmaceutycznych. W przyszłym roku firma planuje wprowadzić komórki wątroby, mózgu i krwi generowane przez iPS.

To zmienia zasady gry, mówi biolog komórek macierzystych Sandra Engle, starszy kierownik naukowy w firmie Pfizer, który używał komórek CDI. Przed CDI komórki te były bardzo trudne do uzyskania i otrzymywaliśmy tylko niewielkie ilości. To nie działa w przypadku wysokoprzepustowych testów leków. Dla Kyle'a Kolaji, globalnego szefa predykcyjnych ekranów toksykologicznych i nowych technologii w Roche, zaletą komórek CDI jest to, że zachowują się jak prawdziwe komórki. Mówi, że już teraz mają duży wpływ na bezpieczeństwo i rozwój leków. Zmienili już to, co robimy.

Wskazówki komórkowe
Chociaż firmy takie jak Roche i Pfizer używają obecnie komórek iPS po prostu do przesiewania potencjalnych środków terapeutycznych pod kątem toksyczności i innych właściwości, pewnego dnia testy oparte na iPS będą mogły zostać przeprowadzone na poszczególnych pacjentach, aby sprawdzić, czy są oni szczególnie narażeni na skutki uboczne. Euan Ashley, kardiolog z Uniwersytetu Stanforda, próbuje wykorzystać komórki iPS do diagnozowania i leczenia 16-letniego chłopca z wczesnymi objawami kardiomiopatii rozstrzeniowej, potencjalnie śmiertelnej choroby, w której serce puchnie i słabnie. Jest to rodzaj ciężkiej choroby genetycznej, która występuje w rodzinach, które naszym zdaniem mogą skorzystać na technologii iPS i genomice, mówi Ashley. Zbadał DNA chłopca pod kątem charakterystycznych markerów genetycznych związanych z chorobą i przetestował swojego brata i rodziców, aby sprawdzić, czy oni również noszą te markery. Zespół ze Stanford planuje stworzyć komórki iPS poprzez przeprogramowanie komórek skóry pobranych z rodziny, a następnie nakłonienie ich do różnicowania się w kardiomiocyty z charakterystycznymi zmianami genetycznymi. Badając biochemię tych komórek serca, naukowcy mają nadzieję uzyskać wskazówki, w jaki sposób mogą reagować na różne leki kandydujące.

Użyjemy komórek iPS, aby sprawdzić różnice między tym dzieckiem a innymi dziećmi z chorobą i bez niej, mówi Ashley, oraz sprawdzić, jakie leki będą najlepsze dla chłopca i innych dotkniętych chorobą członków rodziny. Ashley mówi, że jednym z celów jest opracowanie testów, aby określić, w jaki sposób zmiany genetyczne faktycznie wpływają na komórki. Mówi, że znaczenie czynników genetycznych zostanie odzwierciedlone w tych komórkach.

O zimnym sercu: Próbki komórek autora są przechowywane na tackach w warunkach kriogenicznych.

Inni klinicyści i laboratoria również używają komórek iPS w eksperymentach mających rzucić światło na chorobę. Na przykład naukowcy z Instytutu Salka badają pochodzące od iPS neurony osób ze schizofrenią, aby zobaczyć, czym różnią się od normalnych neuronów, i zbadają, co się dzieje, gdy komórki zostaną wystawione na działanie leków przeciwpsychotycznych. W NIH grupa bada komórki generowane przez iPS od pacjentów ze śmiertelnym zaburzeniem genetycznym znanym jako choroba Niemanna-Picka typu C. Inni badacze zaproponowali wykorzystanie komórek generowanych przez iPS do testowania działania toksycznych chemikaliów, takich jak rtęć i pestycydy.

Naukowcy twierdzą, że nadzieja polega na stworzeniu biblioteki linii komórkowych iPS od osób, które mają określone objawy lub zachowania związane z konkretną chorobą. Roche rozpoczął program z Massachusetts General Hospital w Bostonie, aby stworzyć linie komórkowe, które odzwierciedlają różne rodzaje chorób serca; wyniki mogą pomóc firmie w opracowywaniu leków. Tego lata CDI i Medical College of Wisconsin ogłosiły dotację w wysokości 6,3 miliona dolarów z NIH na stworzenie komórek serca generowanych przez iPS od 250 pacjentów z przerostem lewej komory, stanem, który powoduje wysokie ciśnienie krwi i zwiększa ryzyko chorób sercowo-naczyniowych.

Naukowcy wciąż są dalecy od rutynowego wykorzystywania komórek iPS do diagnozowania choroby lub oferowania indywidualnych prognoz. Austin z NIH ostrzega, że ​​poszczególne komórki opowiadają tylko część historii tego, co dzieje się w dynamicznym systemie, jakim jest ludzkie ciało. W niektórych przypadkach nie masz komórki, która może udzielić prawdziwej odpowiedzi na temat choroby takiej jak depresja, mówi. Jakiego typu komórki używasz do tego?

Mój Mambo
Rozpocząłem swoją własną podróż z iPS w małej klinice Quest Diagnostics na zielonej ulicy w San Francisco. Owijając gumową rurkę wokół mojego ramienia, flebotomista wbił w igłę kilka fiolek z krwią, która miała być wysłana na lodzie do Madison. Kiedy dotarli do CDI, technicy złamali moje białe krwinki i użyli bioinżynierii retrowirusa, aby wprowadzić główne geny transkrypcyjne do ich DNA. Te geny przeprogramowały komórki tak, że gdy się replikują, rezultatem były komórki pluripotencjalne, a nie więcej białych krwinek. Ich przekształcenie w działające komórki iPS zajęło kilka miesięcy nakłaniania, oczyszczania i weryfikacji, co kosztowało około 15 000 USD, które firma zapłaciła w moim imieniu. Kiedy moja pluripotencjalna linia komórkowa zaczęła buczeć, naukowcy z CDI podrasowali kilka komórek, aby różnicowały się w trzy typy komórek serca – które po raz pierwszy zobaczyłem pulsujące w klipie wideo, który wysłali do mnie e-mailem.

W Madison, prawie rok po oddaniu krwi, byłam trochę niespokojna, gdy patrzyłam na moje bijące komórki serca. Miałem właśnie zapoznać się z eksperymentami przeprowadzonymi przez CDI, aby zademonstrować, co te małe wiązki bioinżynieryjnej cytoplazmy i jąder mogą powiedzieć o moim zdrowiu i wrażliwości na różne leki.

Chris Parker i kierownik produktu firmy ds. kardiomiocytów, Blake Anson, przeprowadzili mnie przez serię testów, które rozpoczęły się testami, aby upewnić się, że te komórki to nadal ty, powiedział Parker. Pokazali mi slajd z 23 sparowanymi chromosomami pobranymi z mojej oryginalnej próbki krwi i porównali go ze slajdem pokazującym chromosomy pobrane z kardiomiocytów. Przeprowadzili również proste porównanie genetyczne przy użyciu 16 markerów DNA, test używany przez organy ścigania, który zapewnia szybki i stosunkowo tani sposób oceny, czy dwie próbki pasują do siebie. Kiedy moje wyprodukowane komórki przeszły proces mobilizacji, naukowcy przeszli do kroku drugiego: sprawdzenia, czy zachowują się jak prawdziwe kardiomiocyty.

Najpierw pobudzili komórki prądem, aby sprawdzić zakres w czasie trwania potencjałów czynnościowych – impulsów elektrycznych, które napędzają skurcze serca. Następnie zmierzyli uderzenia komórek w agregacie w stosunku do pewnego rodzaju fali EKG, jak te, które pojawiają się jako impulsy w górę iw dół na monitorze szpitalnym. Moje komórki wyglądały normalnie.

Pionierski pionier: Biolog z University of Wisconsin, James Thomson, był współzałożycielem Cellular Dynamics International w 2007 roku po opracowaniu metody przeprogramowania zwykłych ludzkich komórek w celu wytworzenia indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych, które mogą dać początek każdemu typowi komórek. Od tego czasu Thomson przyczynił się do pionierskiego wykorzystania komórek iPS w opracowywaniu leków.

Trzeci test zmierzył komórki przeciwko dwóm lekom. Jednym z nich była epinefryna, która wyzwala reakcję walki lub ucieczki i przyspiesza puls osoby. Widzimy to tutaj: bij, bij, bij, powiedział Parker, pokazując mi slajd z linią EKG. Twoje tętno dramatycznie wzrasta, co oznacza, że ​​wszystko w porządku — możesz uciec przed niedźwiedziem. Następnie naukowcy wrzucili współczulnego agonistę, lek, który spowalnia pracę serca. Więc twoje komórki mogą się zrelaksować po ucieczce przed niedźwiedziem, powiedział Parker. Kiedy wysłałam Euanowi Ashleyowi wyniki moich badań, zweryfikował moją uporczywą normalność – i potwierdził, że komórki, o których mowa, były tym, czym powinny być. Testy te dowodzą, że komórki są kardiomiocytami, powiedział, co na tym wczesnym etapie nauki jest ważne.

Kilka tygodni później CDI przeprowadziło kolejną rundę eksperymentów, w których poddawano moje komórki działaniu leków o znanych toksycznych skutkach ubocznych. Najpierw pojawił się Hismanal, lek przeciwhistaminowy, i Propulsid, lek na zaburzenia żołądkowo-jelitowe. Oba leki zostały wycofane z rynku w wielu krajach, w tym w Stanach Zjednoczonych, ponieważ wiązały się z rzadkimi, ale potencjalnie zagrażającymi życiu zaburzeniami rytmu serca. Ta skłonność jest spowodowana nieoczekiwanym i niepożądanym efektem ubocznym obu leków blokujących i zakłócających normalną aktywność określonego kanału jonowego w sercu, powiedział raport przesłany do mnie e-mailem z CDI. Oba leki miały podobny wpływ na kardiomiocyty Davida Duncana pochodzące z iPS: zależne od dawki wydłużenie czasu trwania potencjału czynnościowego… Przedłużone czasy trwania potencjału czynnościowego są uznanym wyzwalaczem arytmii serca, która może skutkować nagłą śmiercią.

Podczas drugiej rundy testów farmaceutycznych naukowcy wystawili moje komórki na działanie dwóch leków przeciwnowotworowych: Gleevec, stosowanego głównie w leczeniu niektórych postaci białaczki oraz Sutent, stosowanego w leczeniu nowotworów żołądka, jelit i przełyku. Oba leki mają skutki uboczne, które obejmują uszkodzenie serca, chociaż pozostają w użyciu, ponieważ leczone przez nie choroby są tak poważne. Testy in vitro na kardiomiocytach Davida Duncana pochodzących z iPS wykazały, że oba leki mają niekorzystne skutki, jak powiedział mój raport, oraz że efekt, w którym pośredniczy Gleevec, mógł być spowodowany zaburzeniem funkcji mitochondriów. Znowu reakcje moich komórek nie były nietypowe, chociaż naukowcy powiedzieli mi, że gdybym miał raka, dalsze badania mogłyby ujawnić konkretne reakcje, które mogłyby pomóc lekarzowi zdecydować, które leki są dla mnie najlepsze.

Ashley powiedziała mi, że komórki serca generowane przez iPS oferują ogromny potencjał jako sposób na testowanie leczenia raka. Powiedział, że chemia jest bardzo trudna dla serca i komórek serca. Jeśli ta technologia może pomóc, będzie to naprawdę ważne.

CDI powiedział mi, że w miarę rozwoju nauki może przeprowadzać testy oparte na obszernym sekwencjonowaniu DNA, które przeprowadziłem dla ostatniej książki, Eksperymentalny człowiek . Byłbym szczególnie zainteresowany testem, który mógłby określić, jak bardzo powinienem się martwić genetycznym czynnikiem ryzyka skutków ubocznych statyn obniżających poziom cholesterolu. Zgodnie z moim profilem genetycznym, mam duże ryzyko miopatii – osłabienia mięśni – jeśli przyjmę określone formy tych leków. Jednak ten stan jest spowodowany nieprawidłowym działaniem enzymu wytwarzanego przez wątrobę, a nie serce, więc ustalenie tego zależy od tego, czy CDI chce stworzyć komórki wątroby z mojej linii iPS.

Zanim opuściłem laboratorium CDI, jeszcze raz przyjrzałem się komórkom serca, które tłukły się na szalce Petriego w rodzaju dziwacznej mambo, i zastanawiałem się, kiedy takie banki pojedynczych komórek staną się rutynową częścią opieki medycznej. Wiele przeszkód pozostaje, zanim to się stanie, w tym wysoki koszt wytworzenia komórek. Jednak pomimo kosztów, mówi Thomson, znajdą się ludzie, którzy będą chcieli to zrobić — zamożni wcześnie adoptujący, którzy chcą wiedzieć o chorobie lub leku. Albo niektórzy ludzie mogą to zrobić, ponieważ uważają, że ich bijące komórki serca są fajne.

Jeśli chodzi o mnie, wciąż jestem zdumiony, że kardiomiocyty w naczyniu są częścią mnie – nie mówiąc już o tym, że pewnego dnia mogą zostać użyte jako dublet kaskaderski dla moich prawdziwych komórek.

David Ewing Duncan jest pisarzem mieszkającym w San Francisco. Jego najnowsza książka to Człowiek eksperymentalny: co ciało jednego człowieka ujawnia o jego przyszłości, twoim zdrowiu i naszym toksycznym świecie.

ukryć