Ilustrare de Andy Potts; Foto: Chris Goodfellow/Gladstone Inst.Shinya Yamanaka a câștigat Premiul Nobel pentru munca sa de reprogramare a celulelor adulte într-o stare asemănătoare embrionilor.
„avem colonii.”
Shinya Yamanaka s-a uitat cu surprindere la postdoc care vorbise. „Avem colonii”, a spus Kazutoshi Takahashi din nou., Yamanaka a sărit de la biroul său și l-a urmat pe Takahashi în camera lor de cultură a țesuturilor, de la Universitatea Kyoto din Japonia. Sub microscop, au văzut mici grupuri de celule-culminarea a cinci ani de muncă și o realizare pe care Yamanaka nici măcar nu a fost sigură că a fost posibilă.cu două săptămâni mai devreme, Takahashi a luat celule de piele de la șoareci adulți și le-a infectat cu un virus conceput pentru a introduce 24 de gene alese cu grijă. Acum, celulele au fost transformate., Au arătat și s — au comportat ca celule stem embrionare-celule „pluripotente”, cu capacitatea de a se dezvolta în piele, nerv, mușchi sau practic orice alt tip de celule. Yamanaka se uită la Alchimia celulară înaintea lui. „În acel moment, m-am gândit:” trebuie să fie un fel de greșeală””, își amintește el. El ia cerut lui Takahashi să efectueze experimentul din nou-și din nou. De fiecare dată, a funcționat.în următoarele două luni, Takahashi a redus genele la doar patru care erau necesare pentru a readuce ceasul de dezvoltare., În iunie 2006, Yamanaka a prezentat rezultatele într-o cameră uimită de oameni de știință la reuniunea anuală a Societății Internaționale pentru cercetarea celulelor Stem din Toronto, Canada. El a numit celulele „celule asemănătoare ES”, dar mai târziu s-ar referi la ele ca celule stem pluripotente induse sau celule iPS. „Mulți oameni pur și simplu nu au crezut”, spune Rudolf Jaenisch, biolog la Institutul de Tehnologie din Massachusetts din Cambridge, care se afla în cameră. Dar Jaenisch știa și avea încredere în munca lui Yamanaka și credea că este „ingenioasă”.,
celulele au promis să fie un avantaj pentru medicina regenerativă: cercetătorii ar putea lua pielea, sângele sau alte celule ale unei persoane, să le reprogrameze în celule iPS și apoi să le folosească pentru a crește celule hepatice, neuroni sau orice era necesar pentru a trata o boală. Această terapie personalizată ar evita riscul de respingere imună și ar evita preocupările etice ale utilizării celulelor derivate din embrioni.zece ani mai târziu, obiectivele s — au schimbat-în parte, deoarece aceste terapii s-au dovedit a fi dificil de dezvoltat., Singurul studiu clinic care utilizează celule iPS a fost oprit în 2015 după ce o singură persoană a primit un tratament.dar celulele iPS și-au făcut amprenta într-un mod diferit. Acestea au devenit un instrument important pentru modelarea și investigarea bolilor umane, precum și pentru screening-ul medicamentelor. Modalitățile îmbunătățite de a face celulele, împreună cu tehnologiile de editare a genelor, au transformat celulele iPS într-un loc de muncă de laborator — oferind o cantitate nelimitată de țesuturi umane inaccesibile pentru cercetare., Acest lucru a fost deosebit de valoros în domeniul dezvoltării umane și a bolilor neurologice, spune Guo-li Ming, neurolog la Universitatea Johns Hopkins din Baltimore, Maryland, care folosește celule iPS din 2006.
câmpul încă se confruntă cu dureri în creștere. Pe măsură ce tot mai multe laboratoare adoptă celule iPS, cercetătorii se luptă cu consecvența. „Cea mai mare provocare este de a obține toată lumea pe aceeași pagină cu controlul calității”, spune Jeanne Loring, biolog cu celule stem la Institutul de Cercetare Scripps din La Jolla, California., „Există încă lucrări în care oamenii au făcut ceva remarcabil cu o singură linie celulară și se dovedește că nimeni altcineva nu o poate face”, spune ea. „Avem toată tehnologia. Trebuie doar ca oamenii să-l folosească corect.la șase săptămâni după prezentarea rezultatelor, Yamanaka și Takahashi au publicat1 identitățile genelor responsabile de reprogramarea celulelor adulte: Oct3/4, Sox2, Klf4 și C-Myc. În anul următor, trei laboratoare, inclusiv Yamanaka, au confirmat rezultatele și au îmbunătățit metoda de reprogramare2, 3, 4., În alte șase luni, Yamanaka și James Thomson de la Universitatea din Wisconsin–Madison au reușit să reprogrameze celulele adulte de la OM5, 6. Laboratoarele din întreaga lume s-au grăbit să folosească tehnica: până la sfârșitul anului 2009, au fost publicate aproximativ 300 de lucrări despre celulele iPS.multe laboratoare s-au concentrat pe elaborarea tipurilor de celule adulte care ar putea fi reprogramate și în ce ar putea fi transformate celulele iPS rezultate., Alții au căutat să îmbunătățească în continuare reprogramarea reteta, inițial prin eliminating7 necesitatea de a folosi c-Myc, o genă cu potențialul de a transforma unele celule canceroase, iar mai târziu prin livrarea genelor, fără a le integra în genomul, un orizont de siguranță pentru iPS-pe baza de terapii celulare.
o altă mare întrebare a fost cât de asemănătoare erau celulele iPS cu celulele ES. Diferențele au început să apară. Oamenii de știință au descoperit8 că celulele iPS păstrează o „memorie epigenetică” — un model de urme chimice pe ADN-ul lor care reflectă tipul de celulă inițial., Dar experții susțin că astfel de modificări nu ar trebui să afecteze utilizarea celulelor în terapii. „S-ar putea să existe unele diferențe față de celulele ES, dar cred că nu sunt cu adevărat relevante”, spune Jaenisch.
Piscina/Yomiuri Shimbun/AP
Până în 2012, când Yamanaka a câștigat jumătate din Premiul Nobel în Fiziologie sau Medicină pentru munca, primul proces uman de un iPS-pe bază de celule de terapie a fost planificat., Masayo Takahashi, oftalmolog la Centrul Riken pentru Biologie de dezvoltare (CDB) din Kobe, Japonia, a dezvoltat tratamente bazate pe celule ES pentru bolile retiniene atunci când Yamanaka a publicat pentru prima dată metoda de reprogramare. A trecut rapid la celulele iPS și, în cele din urmă, a început să colaboreze cu Yamanaka.în 2013, echipa ei a realizat celule iPS din celulele pielii a două persoane cu degenerescență maculară legată de vârstă, o afecțiune oculară care poate duce la orbire și le-a folosit pentru a crea foi de celule epiteliale pigmentare retiniene (RPE) pentru un studiu clinic., Nu după mult timp, cercetătorii CDB care lucrează la o altă tehnică de reprogramare a celulelor-achiziția pluripotenței declanșată de stimuli sau STAP — au fost investigate pentru abateri. Deși nu are legătură cu procesul iPS-cell, furore a îngreunat Takahashi să-și avanseze studiul: a creat un „vânt în marea calmă” în care lucra, spune ea. Cu toate acestea, echipa ei a înaintat, iar la 12 septembrie 2014, medicii au implantat primele foi RPE în ochiul drept al unei femei din anii șaptezeci., Takahashi spune că terapia a oprit degenerarea maculară a femeii și i-a luminat viziunea.dar, pe măsură ce Laboratorul s-a pregătit să trateze cel de-al doilea participant la studiu, echipa lui Yamanaka a identificat două mici modificări genetice atât în celulele iPS ale pacientului, cât și în celulele RPE derivate din acestea. Nu a existat nici o dovadă că nici o mutație a fost asociată cu formarea tumorii, dar „pentru a fi în siguranță” Yamanaka ia sfătuit pe Takahashi să pună procesul în așteptare. Ea a făcut-o.,suspendarea a dat pauză altor cercetători interesați de domeniu, spune Paul Knoepfler, biolog de celule stem de la Universitatea din California, Davis: „lumea urmărește să vadă cum progresează.”Dar dificultățile cu care s-au confruntat celulele iPS pentru a ajunge la clinică nu sunt atât de neobișnuite, spune David Brindley, care studiază reglementarea și fabricarea celulelor stem la Universitatea din Oxford, Marea Britanie. În general, este nevoie de aproximativ 20 de ani pentru a muta o descoperire științifică la adopție clinică și comercială, astfel încât celulele iPS „urmează aproximativ aceeași traiectorie”, spune el.,în Statele Unite, Institutul Astellas pentru Medicină Regenerativă din Marlborough, Massachusetts (fostă tehnologie celulară avansată), are mai multe terapii bazate pe celule iPS în conducta sa, inclusiv cele pentru degenerescența maculară și glaucomul, spune directorul științific principal Robert Lanza. Pentru orice astfel de terapie, este nevoie de ani pentru a elabora o metodă adecvată pentru a face tipurile de celule potrivite în cantități suficient de mari și cu suficientă puritate. „celulele iPS sunt cele mai complexe și dinamice terapii care au fost propuse vreodată pentru clinică”, spune Lanza., „Sunt primul care vrea să vadă aceste celule în clinică, dar este nevoie de o abundență de prudență.”
cealaltă mare provocare este de a lucra în ceea ce va fi necesar pentru a obține astfel de tratamente aprobate. Loring speră să înceapă un proces de terapie cu celule iPS pentru boala Parkinson în următorii doi ani. Dar nu va fi ușor: tratamentul folosește celule derivate de la pacienți individuali, iar Loring intenționează să facă o serie complexă de verificări și validări pentru fiecare linie celulară pentru a-și demonstra siguranța Administrației SUA pentru alimente și medicamente.,dezvoltarea și testarea unei terapii chiar și într-o singură persoană a fost educativă, spune Yamanaka: a durat un an și 1 milion USD. El se așteaptă ca terapiile viitoare să utilizeze celule iPS derivate din donatori dintr-o bancă de celule, mai degrabă decât să le facă pentru fiecare pacient.Takahashi intenționează să compare celulele iPS bancate cot la cot cu cele derivate de la pacienți, pentru a observa orice diferențe în reacția imună. Ea intenționează să se adreseze guvernului japonez pentru a relua procesul de degenerare maculară „foarte curând”, dar când a fost întrebată, nu ar specifica o cronologie.,
îmbunătățiri celulare
deși terapia celulară a suferit eșecuri, alte domenii de cercetare au înflorit. Metodele de fabricare a celulelor iPS „sunt mai rafinate și mai elegante decât acum cinci ani”, spune Knoepfler.dar majoritatea tehnicilor de reprogramare sunt ineficiente: doar o mică parte din celule ajung complet reprogramate. Și, la fel ca toate liniile celulare, celulele iPS variază de la o tulpină la alta. Acest lucru a făcut dificilă stabilirea controalelor în experimente.,Marc Tessier-Lavigne, neurolog la Universitatea Rockefeller din New York, s-a confruntat cu această provocare cu colegii de la Fundația pentru celule Stem din New York când au început să lucreze cu celule iPS obținute de la persoane cu boală Alzheimer cu debut precoce și demență frontotemporală. Ei și — au dat seama rapid că compararea celulelor iPS ale unui pacient cu cele de la un control sănătos nu a funcționat-celulele s-au comportat prea diferit în cultură, probabil rezultatul disparităților din fondul genetic sau expresia genelor. „Așa că am apelat la editarea genelor”, spune Tessier-Lavigne.,
„lumea urmărește să vadă cum progresează.instrumentul de editare a genelor CRISPR–Cas9, care a câștigat o popularitate imensă în ultimii ani, a permis cercetătorilor să introducă mutații asociate bolii într-un eșantion de celule iPS și apoi să le compare cu liniile celulare originale, needitate. Laboratorul Jaenisch utilizează CRISPR-Cas9 cu celule iPS zilnic. „Putem face orice manipulare vrem să facem”, spune el.metodele noi, rafinate de editare a genelor se dovedesc și mai utile., În luna aprilie, de exemplu, Dominik Paquet și Dylan Kwart în Tessier-Lavigne laboratorul lui demonstrated9 o tehnică pentru introducerea unor mutații punctiforme în celule iPS folosind CRISPR, și editarea doar o copie a unei gene, mai degrabă decât atât. Acest lucru le-a permis să genereze celule cu combinații precise de mutații asociate Alzheimer și să studieze efectele.dar, deoarece celulele iPS seamănă cu celulele embrionare, ele nu sunt întotdeauna ideale pentru studierea bolilor cu debut tardiv, cum ar fi demența. Așadar, cercetătorii explorează modalități de a stresa celulele sau de a introduce proteine care le îmbătrânesc prematur., „Este o preocupare valabilă care nu a fost rezolvată, dar există o serie de abordări pentru a încerca cu adevărat să o abordăm”, spune Tessier-Lavigne.faptul că celulele iPS imită dezvoltarea umană timpurie s — a dovedit util într-un alt domeniu-sprintul pentru a descoperi dacă și cum infecția cu virusul Zika la femeile gravide ar putea duce la microcefalie, o afecțiune în care capul unui copil este mai mic decât se aștepta. Ming și colegii ei au folosit celule iPS pentru a crea organoizi ai creierului-biți 3D de țesut care seamănă cu organele în curs de dezvoltare., Când au expus aceste sa Zika, au found10 că patogen preferențial infectează celulele stem neurale asupra nou-formate de neuroni, ceea ce duce la creșterea moartea celulelor stem neurale și o scădere în volum a unui strat de neuroni în cortex, care seamănă cu microcefalie.alte grupuri au folosit celule iPS pentru a crea organoizi, cum ar fi mini-intestine și mini-ficat, iar lista descoperirilor legate de boală folosind celule iPS este în creștere., Acesta include arată cum o genă dublarea în glaucom cauzează moartea nervoase-celule clusters11, și recapitulând genetice și celulare modificări asociate cu boala Huntington disease12.celulele iPS au fost, de asemenea, utilizate cu un anumit succes în descoperirea medicamentelor: ele oferă o sursă abundentă de celule derivate de la pacient pentru a examina sau testa medicamente experimentale. În 2012, de exemplu, celulele stem neurale făcute de oameni cu o nervoase-celule-dezvoltarea bolii au fost folosite pentru a ecran de aproape 7.000 de molecule mici și de a identifica un potențial medicament pentru condition13., Și în acest an, o echipă a raportat14 generând neuroni senzoriali din celule iPS obținute de la persoane cu o tulburare de durere moștenită. Cercetatorii au aratat ca un compus de blocare a sodiului a redus excitabilitatea neuronilor si a scazut durerea la pacienti. Ar fi minunat să folosiți celule iPS pentru a prezice dacă oamenii vor răspunde la un anumit medicament, spune Edward Stevens, cercetător la Pfizer Neuroscience and Pain Research Unit din Cambridge, Marea Britanie, care a condus lucrarea, dar va trebui să existe mult mai multe dovezi că o astfel de strategie funcționează.,chiar și după un deceniu de reprogramare a celulelor (vezi „inducerea unei revoluții”), cercetătorii nu știu în detaliu cum are loc efectiv procesul. Deocamdată, câmpul se concentrează pe verificarea sistematică a identității și siguranței liniilor celulare, verificând genomul lor, modelele de expresie a genelor și multe altele. Un astfel de efort, Banca Europeană pentru celule stem pluripotente induse, centrată în Cambridge, Marea Britanie, a lansat public catalogul său de celule iPS standardizate pentru a fi utilizate în modelarea bolilor în luna martie., Yamanaka este, de asemenea, implicat în celulele iPS bancare pentru terapii viitoare, colectând soiuri care ar fi compatibile imunologic într-o populație largă.cele mai mari provocări viitoare, spune el, nu sunt științifice. Cercetătorii vor avea nevoie de un sprijin puternic din partea industriei farmaceutice și a guvernelor pentru a avansa cu terapiile celulare; pentru descoperirea medicamentelor și modelarea bolilor, cercetătorii trebuie să fie persistenți și răbdători. celulele iPS pot scurta doar procesul de descoperire, nu îl pot sări, spune el. „Nu există magie. Cu celule iPS sau orice tehnologie nouă, durează încă mult timp.,”