Как разбирането на биологията на стволовите клетки може да подобри лечението на  рак ?

Лъчевата терапия и химиотерапията традиционно се считат за основните форми на лечение на рак. Въпреки че тези лечения могат да бъдат високоефективни, те имат значителни отрицателни странични ефекти поради тяхната нежелана колатерална токсичност върху нормалните клетки в тялото. Необходими са нови методи за по-безопасно лечение на ракови заболявания, които засягат милиони хора по света всяка година.

През последните години светът на терапията на рака бързо се разширява отвъд тези широки системни подходи, включващи имунотерапия (използване на собствената имунна система на организма за убиване на ракови клетки), таргетна терапия (използване на лекарства, насочени към специфични генетични мутации) и други форми на прецизна медицина. Въпреки това, всеки от тези терапевтични постижения идва със собствени проблеми с токсичността и в някои случаи те могат да спрат да работят, ако хората развият резистентност към тях. За да продължат да разработват нови и иновативни терапии за ракови заболявания, е необходимо изследване на туморната биология. Една област на изследване, която има потенциал да даде представа за туморогенезата, е биологията на стволовите клетки. банка за стволови клетки

Връзката между стволовите клетки, развитието и рака очарова учените повече от сто години. Стволовите клетки генерират или регенерират тъкани и органи, като се размножават и диференцират в по-специализирани типове клетки чрез силно регулирано клетъчно деление. Това клетъчно деление е строго контролирано от специфични гени, както хората се развиват в утробата, така и през целия си живот. Ако обаче гените, регулиращи деленето на клетките, станат мутирали, клетките могат да се разделят извън контрол, което води до рак. Разбирането на процесите на нормалното клетъчно развитие може да помогне за идентифициране на нови ефективни цели за терапия на рак.

Един основен въпрос без отговор в областта на биологията на рака е относно това как започва ракът или каква е клетката на произход? Учените се чудеха, като се има предвид, че стволовите клетки са главно отговорни за разделянето и попълването на много възрастни тъкани, може ли ракът да възникне от стволови клетки?

В подкрепа на тази хипотеза учените са открили, че кожните и чревните стволови клетки са по-податливи да станат тумори, отколкото други клетки в тези органи. Увреждането на мрежата от клетки, които взаимодействат със стволовите клетки в тяхната „ниша“, също може да доведе до образуване на тумор. Необходими са повече изследвания, за да се разбере как тези промени водят до рак, за да могат да бъдат разработени лечения, за да се предотврати отделянето на тези клетки извън контрол.

Разбирането на биологията на стволовите клетки може да информира лечението на рака, дори ако стволовите клетки не са клетката на произход. Не-стволовите клетки могат да отвлекат механизмите, използвани от стволовите клетки за бързо разделяне, образувайки тумор. Тези туморни клетки използват гени, които обикновено участват в развитието и деленето на стволови клетки, за да инициират анормален растеж.

Това явление на раковите клетки, неподходящо обръщащо гени в развитието за иницииране на тумор, се наблюдава при почти всеки вид рак и е моделирано в няколко организма. Наскоро изследователи в лабораторията на Леонард Зон в детската болница в Бостън успяха да наблюдават това в жив организъм, в случая добре проучената зебра. За първи път изследователите могат да наблюдават как една клетка се превръща в тумор в живо животно. Учените откриха, че първото събитие, което могат да наблюдават по пътя към образуването на меланом, вид рак на кожата, е повторното активиране на гени, които иначе са специфични за ранното развитие на ембрионите. Този уникален поглед в най-ранните етапи на образуване на рак позволява на изследователите да проверяват за нови лекарства, които предотвратяват образуването на рак.

Въпреки че връзката между стволовите клетки и рака е силна, са необходими още изследвания, за да се определи клетката на произход на различни видове рак. Ако клетката на произход на рак може да бъде разбрана по-добре, могат да се разработят по-специфични диагностични инструменти и терапии. Освен това разбирането на гените, които контролират клетъчното делене в развитието и стволовите клетки, ще се надяваме да предоставят нови цели за диагностициране, лечение и предотвратяване на рак в бъдеще.

Как индуцираната плурипотентност промени науката за стволовите клетки?

Важно постижение в изследванията на стволови клетки бе признато през 2012 г., когато Нобеловата награда за физиология или медицина беше присъдена на двама учени, които преобразиха областта: Шиния Яманака и Джон Гурдън. Заедно те получиха наградата за „откритието, че зрелите клетки могат да бъдат препрограмирани да станат плюрипотентни“.

Въздействието на този пробив отвори безброй възможности за изследване на стволови клетки и продължава да задвижва полето напред.

През 60-те години на миналия век, в ранните дни на изследване на стволови клетки, Джон Гурдън е студент в САЩ, когато започва работа по клонирането – трансплантиране на ядрото от клетката на един организъм в яйцето на друг, където ядрото е било отстранено. Експериментите му демонстрират, че зряла клетка, която е напълно диференцирана, може да се върне в по-ранно състояние, когато бъде въведена в развиващо се яйце, в попова лъжичка.

Работата на Гурдън осигури фундаментална промяна в парадигмата за биолозите в развитието: зрялата клетка, във вече диференцирано състояние, не е трайно останала в това състояние, както се смяташе по-рано. В действителност, в правилната среда зрелите клетки могат да се върнат към по-ранен, ембрионален тип клетки, който би могъл да породи всички специализирани типове клетки, присъстващи в организъм на възрастен.

С това ново разбиране изследователите започнаха да отговарят на ключови биологични въпроси, възникнали от тези ранни експерименти: кои генетични, биологични или химични компоненти са отговорни за насърчаване на клетките да се върнат в по-ранно състояние и да възвърнат потенциала да станат всеки тип клетки? Какви минимални фактори биха били достатъчни за лесното препрограмиране на клетките? Как може да се използва препрограмирането на събития, за да се разбере по-добре човешкото развитие в здравето и болестите?

Едва през 40 години след работата на Гърдън, Shinya Yamanaka и неговите колеги в Япония идентифицираха ключовите гени, които контролират това „препрограмиране“ на възрастни клетки. Яманака успя да индуцира възрастни миши клетки до плюрипотентно състояние, при което клетките имитират ембрионални стволови клетки и могат да се превърнат във всеки клетъчен тип в тялото. Тези клетки са известни като „индуцирани плюрипотентни стволови“ (iPS) клетки.

Скоро Яманака и друг учен, Джеймс Томсън от САЩ, публикуват проучвания, показващи, че човешките клетки могат да бъдат препрограмирани по подобен начин обратно в плюрипотентно състояние. Яманака и неговият екип идентифицираха само четири гена, които, ако бъдат изразени в клетки на възрастни, могат да превърнат зрелите клетки обратно в плюрипотентни стволови клетки, които могат да се превърнат във всяка клетка в тялото.

Последиците от откритието са широкообхватни и продължават да помагат на учените да разберат клетъчната биология и развитие. Чрез изучаване на iPS клетки, получени от пациенти, изследователите добиват представа за причините за най-различни заболявания и техните механизми в организма и започват да разработват и разработват потенциални нови терапии:

  • Прецизна медицина: iPS клетките са показали обещание като инструмент за прогнозиране как конкретните пациенти ще реагират на потенциални терапии. Чрез разработване на iPS клетки от пациенти или групи пациенти, изследователите могат да тестват тези клетки с потенциални лекарства, за да разработят персонализирани лечения, за да оптимизират индивидуалните резултати от пациента.
  • Моделиране на болести и откриване на лекарства: Извън тялото, генерираните от пациента iPS клетки запазват същите генетични и / или клетъчни дефекти, каквито имат при пациента. Тези клетки могат да бъдат анализирани в лаборатории, за да се разкрият основните механизми на заболяването, включително идентифицирането на нови генетични и екологични причини. Тези „болести в чиния“ могат да се използват и за скрининг хиляди химични съединения за откриване на нови лекарства, които потенциално биха могли да лекуват засегнатите от болести клетки.
  • Клетъчна терапия: iPS клетките могат потенциално да се използват за генериране на типове клетки, които могат да бъдат трансплантирани, за да заместят загубените или повредени в органи или тъкани поради нараняване или заболяване. Тъй като са собствените клетки на пациента, те избягват имунното отхвърляне, което остава сериозно притеснение за текущите трансплантации на органи от донори. Например, се изследват експериментални iPS клетъчни терапии, които един ден могат да заменят невроните в мозъка на Паркинсонова болест, различни клетъчни типове на око за дегенеративни очни състояния, сърдечни клетки за сърдечни заболявания и други.

Следващи стъпки                                                                                                                              

Процесът на преминаване на научно откритие към действително лечение, достъпно за пациентите, отнема много години, дори десетилетия и понастоящем няма медицинско лечение, което да включва пряко iPS клетки, въпреки че много от тях се разработват, а някои са в клинично изпитване. Междувременно учените търсят отговор на въпроси за това как да стандартизират iPS клетъчните линии, за да намалят променливостта на резултатите, да определят как да направят iPS клетките еднакви за всяка употреба и да гарантират тяхната безопасност и ефикасност, преди да използват клетките като потенциални лечения.

Стволови клетки във войната със сърдечни заболявания

Сърцето се състои предимно от сърдечни мускулни клетки, наречени кардиомиоцити, които имат много малко присъщи регенеративни способности. Освен сърдечна трансплантация понастоящем няма лечение, което да възстанови сърдечната функция. Много изследователи изследват терапиите със стволови клетки като начин за снабдяване на увредената зона с функционални кардиомиоцити, които могат да заменят белязаната тъкан със здрава биеща тъкан.

Изследователите могат да вземат кожни клетки, например, от пациент и да ги превърнат в индуцирани плюрипотентни стволови клетки (iPSC). След това iPSC могат да бъдат насочени да станат всяка клетка в тялото, включително кардиомиоцитите, като ги излагат на специфични сигнали или химикали. Тъй като настоящото лечение управлява само симптомите на заболяването, възстановяването на функцията с клетъчна терапия би било нов шанс за лечение на сърдечни заболявания.

Кардиомиоцитите, произведени от стволови клетки, „бият“ в лабораторията, точно както правят в сърцето. Получаването на тези кардиомиоцити да узреят правилно и да отговарят на енергийните нужди, които сърцето изпитва след раждането, обаче се оказа много трудно. Учените работят за генериране на кардиомиоцити в лабораторията, които по-тясно имитират клетки в сърцето на възрастните.