Badania i rozwój - Dlaczego technologia pluripotencjalnych komórek macierzystych iPSC jest niezbędna dla badań kardiologicznych?

Według Światowej Organiacji Zdrowia, choroby układu sercowo-naczyniowego, a w szczególności choroba niedokrwienna serca są główną przyczyną zgonów na świecie. Według szacunków, choroby sercowo-naczyniowe prowadzą do 17,9 miliona zgonów rocznie, co stanowi około 31% wszystkich zgonów na świecie.

Naukowcy nieustannie pracują nad redukcją liczby zgonów poprzez rozwój nowych technologii, które zapobiegłyby przed przedwczesną śmiercią wywołaną chorobami układu naczyniowo-sercowego. Chociaż modele zwierzęce są obiecującymi narzędziami do modelowania chorób, ludzkie serce ma znacznie bardziej złożoną strukturę oraz biochemię, co stanowi trudny problem do przezwyciężenia, nad którym pracują naukowcy.

Indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste (ang. induced pluripotent stem cells, iPSC) są istotne dla wielu różnych dziedzin z zakresu badań medycznych, w tym badań kardiologicznych. iPSC są cenne i umożliwiają znaczny postęp w badaniach medycznych ze względu na ich zdolność do różnicowania się w dowolnie określone komórki, jakie chcielibyśmy, a także iPSC mogą pochodzić bezpośrednio z komórek dorosłych pacjenta (1).

Co to są iPSC?

iPSC to rodzaj pluripotencjalnych komórek macierzystych - nadrzędnych komórek, które potrafią różnicować się w dowolną komórkę lub tkankę potrzebną organizmowi i które są generowane bezpośrednio z komórek somatycznych (1). iPSC stały się kluczowymi narzędziami do modelowania procesów biologicznych, szczególnie w typach komórek, do których trudno jest uzyskać dostęp od żywych dawców.

Większość ludzi słyszała o embrionalnych komórkach macierzystych, które są jedną z odmian pluripotencjalnych komórek używanych do zastępowania lub odbudowania uszkodzonych tkanek. iPSC różnią się od embrionalnych komórek macierzystych tym, że iPSC są dojrzałymi komórkami, podczas gdy embrionalne komórki macierzyste znajdują się w embrionach w fazie przedimplantacyjnej. Jednak iPSC są modyfikowane genetycznie, tak aby działały jak embrionalne komórki macierzyste.

Rozwój iPSC jest pomocny, ponieważ nie są potrzebne żadne zarodki, co zmniejsza wszelkie kontrowersje związane z tworzeniem i wykorzystywaniem komórek macierzystych. iPSC od ludzkich dawców są również bardziej kompatybilne z pacjentami niż zwierzęce iPSC, dzięki czemu są jeszcze bardziej podobne do swoich embrionalnych kuzynów. Japoński wynalazca iPSC, profesor Shinya Yamanaka, otrzymał w 2012 roku Nagrodę Nobla za swoje dzieło, głównie ze względu na medyczne i naukowe implikacje, jakie ta technologia posiada. Nagroda Nobla została przyznana „za odkrycie, że dojrzałe komórki można przeprogramować tak, aby stały się pluripotencjalne”, zgodnie z komunikatem prasowym z 2012 r. (2).

Co mogą zrobić iPSC?

Dużo. iPSC są bardzo przydatne w opracowywaniu leków i modelowaniu chorób. iPSC mogą również pomóc w medycynie transplantacyjnej, ponieważ tkanki powstałe z iPSC są prawie identyczne z komórkami od dawców, co może potencjalnie zmniejszyć ryzyko odrzucenia przez układ odpornościowy (3). W przyszłości i przy wystarczających badaniach możliwe będzie udoskonalenie technologii iPSC, która może skutecznie przeprogramować komórki i naprawić uszkodzone tkanki w całym organizmie. Ponadto biodrukowanie (ang. bioprinting) 3D w medycynie regeneracyjnej jest z pewnością gorącym obszarem dla technologii iPSC, która jest w stanie drukować określoną tkankę / narząd za pomocą „biotuszu” (ang. bio-ink) pacjentów. Może to zaoszczędzić wiele czasu i zasobów, biorąc pod uwagę fakt, że odrzucenie i niedobór narządów są poważnymi problemami w przeszczepach narządów (6).Technologia iPSC nie wymaga zarodków i może być dostosowana do konkretnych pacjentów, co jest niezwykle przydatne zarówno w badaniach naukowych, jak i medycynie. Każda osoba z uszkodzonymi lub chorymi komórkami może mieć utworzone własne pluripotencjalne komórki macierzyste. Chociaż potrzebne są dalsze badania, zastosowanie iPSC w przeszczepach terapeutycznych jest znikome. Jednym z najważniejszych obszarów, w których obecnie stosuje się iPSC, są badania kardiologiczne. iPSC moga również współgrać z technologią mapowania optycznego w celu wykrywania aktywności elektrycznej, niezależnej od różnicowania iPSC. Technologia mapowania optycznego to technika, która bada, jak działają zaburzenia rytmu serca u pacjenta. Technologia mapowania optycznego może prawidłowo rejestrować lub pozyskiwać dane z iPSC. iPSC są również przydatne w imitowaniu kardiomiocytów pacjenta, zapewniając bardziej wiarygodne i jakościowe dane o chorobach serca.

W jaki sposób używane są iPSC w badaniach kardiologicznych

Modelowanie chorób.

iPSC są kluczowymi narzędziami w badaniach kardiologicznych ze względu na ich zdolność do personalizacji pacjenta, ich skuteczne zastosowanie w farmakoterapii oraz ich zdolność do modelowania dziedzicznych chorób serca (3). iPSC są specyficzne dla pacjenta, ponieważ są w 100% genetycznie identyczne ze swoimi dawcami. Ten zestaw genomowy umożliwia naukowcom dalsze badanie ich patologii i opracowywanie odczynników terapeutycznych do leczenia chorób serca.

Indukowane pluripotencjalne kardiomiocyty pochodzące z komórek macierzystych (ang. induced pluripotent stem cells – cardiomyocytes, iPSC-CM) pomagają naukowcom przewidywać kardiotoksyczność leków powszechnie stosowanych w połączeniu z chemioterapeutykami. Takie prognozy były prawie niemożliwe, zanim technologia iPSC została zastosowana w badaniach. iPSC są stosowane dzięki ich zdolności do modelowania chorób. Ponieważ iPSC są genetycznie zgodne z ich żyjącymi dawcami, mają wyjątkowe właściwości do badania genetycznych chorób serca, takich jak choroby monogenowe. iPSC pomagają naukowcom zrozumieć, w jaki sposób genotypy chorób na poziomie genetycznym manifestowane są w fenotypie na poziomie komórkowym (3). Zespół długiego QT, to stan, który wpływa na repolaryzację serca pacjenta po uderzeniu serca, jest znanym przykładem modelowania choroby w oparciu o technologię iPSC. Zespół długiego QT został z powodzeniem zobrazowany przy użyciu iPSC i jest doskonałym modelem dla innych obiecujących chorób docelowych (5). Jednak zespół długiego QT nie jest jedyną chorobą obrazowaną przez iPSC. Modelowano również inne choroby serca, takie jak kardiomiopatia związana z zespołem Bartha i polekowe uszkodzenia kłębuszków nerkowych (4).

Słowa końcowe

Podstawowym znaczeniem iPSC w badaniach kardiologicznych jest ich zdolność do obrazowania, modelowania chorób. iPSC są doskonałymi modelami do analizy serca, ponieważ pochodzą bezpośrednio od żyjących dawców, dzięki czemu są w 100% kompatybilne genetycznie. iPSC stały się niezbędne w dziedzinie badań medycznych, w wielu przypadkach zastępując zarodkowe komórki macierzyste i dając naukowcom możliwość pozyskania nowych komórek macierzystych od dorosłych dawców.Wiele chorób serca ma podłoże genetyczne, w tym arytmie, choroba wieńcowa i kardiomiopatia. Mogą one prowadzić do zawałów serca, udarów lub niewydolności serca, które występują w rodzinie, wskazując na dziedziczne genetyczne czynniki ryzyka. Aby walczyć z wyniszczającymi skutkami dziedzicznych chorób serca, naukowcy używają iPSC do testowania kardiotoksyczności leków, tak aby pacjenci otrzymywali tylko te leki, które mają największe prawdopodobieństwo zadziałania. iPSC mogą dobrze współgrać z technologią mapowania optycznego, aby dokładnie określić obszary serca, które są objęte chorobą. iPSC mogą również modelować zaburzenia serca, na które cierpi pacjent, dzięki czemu naukowcy mogą dowiedzieć się więcej o chorobie i sposobach jej leczenia. Pojawienie się technologii iPSC stworzyło wiele nowych możliwości i zastosowań w badaniach i leczeniu chorób układu sercowo-naczyniowego. Naukowcy mają nadzieję, że wkrótce terapie oparte na iPSC staną się opcją dla tysięcy, jeśli nie milionów pacjentów na całym świecie.

Odniesienia:

Auhor: Dr Jay Lu

Orginaly tekst znajduje się na stronie MappingLab.

Powrót do Bazy Wiedzy

Może Cię zainteresuje