Dzięki rozwojowi nauki o najmniejszych składowych naszego ciała – komórkach i genach – rozpoczyna się nowa epoka w dziejach medycyny, w której wreszcie doczekamy się skutecznych terapii chorób mózgu i układu nerwowego. Pięć lat temu 41-letni obecnie Darek Fidyka (na zdjęciu) został kilkakrotnie dźgnięty nożem w plecy, co spowodowało paraliż mięśni poniżej klatki piersiowej. Przez cztery lata był unieruchomiony – najpierw tylko leżał, potem zaczął powoli poruszać się na wózku inwalidzkim. Ale dokładnie przed rokiem media nie tylko w Polsce, ale i na całym świecie, obiegła sensacyjna wiadomość.
Oto Darek Fidyka zaczął chodzić! Stał się pierwszym na świecie pacjentem z trwale uszkodzonym rdzeniem kręgowym, który wstał z wózka inwalidzkiego i zaczął poruszać się za pomocą balkonika.
Zawdzięcza to nowatorskiej operacji wykonanej w Uniwersyteckim Szpitalu Klinicznym we Wrocławiu przez zespół pod kierunkiem prof. Jarmundowicza i dr. Pawła Tabakowa, którzy wszczepili do rdzenia kręgowego Darka Fidyi węchowe komórki glejowe pobrane z jego mózgu. Te komórki zregenerowały przerwany rdzeń kręgowy pacjenta.
– To niesamowite zobaczyć, jak regeneracja rdzenia kręgowego – coś, co było nie do pomyślenia przez wiele lat – staje się rzeczywistością – mówił wówczas dla BBC dr Tabakow, szef polskiego zespołu operującego Fidykę.
Ta wiadomość stała się natychmiast nadzieją dla tysięcy chorych z uszkodzonym rdzeniem kręgowym na całym świecie. I oni uwierzyli, że wkrótce, dzięki metodzie zastosowanej u Darka Fidyki, wróci im władza w nogach oraz rękach, a niepełnosprawność będzie tylko wspomnieniem. Ale operacja we Wrocławiu to nie tylko światełko w tunelu dla osób na wózkach, to także zapowiedź zupełnie nowej epoki w rozwoju medycyny – wkroczenia do niej biotechologii i innych nowatorskich terapii, które korzystają m.in. ze specjalne typów komórek regeneracyjnych i macierzystych do leczenia układu nerwowego, a także coraz lepiej manipulują genami w celu wyleczenia lub zniwelowania skutków chorób genetycznych. Biomedycyna niesie więc nadzieję na każdym etapie leczenia – od diagnostyki i dobrania właściwego sposobu leczenia, przez naprawę genów, aż po leczenie i hodowlę całych narządów
Od rdzenia do kory mózgowej
Operacja przeprowadzona na uszkodzonym rdzeniu kręgowym Dariusza Fidyki od początku do końca była wielką niewiadomą. Naukowcy już wcześniej wiedzieli, że węchowe komórki glejowe mają wyjątkowe zdolności regeneracyjne, ale to prof. Jarmundowicz jako pierwszy zdecydował się sprawdzić, czy zadziałają również w uszkodzonym rdzeniu kręgowym. W tym celu lekarze pobrali glejowe komórki węchowe z opuszki węchowej, znajdującej się w mózgu. By tego dokonać, musieli otworzyć czaszkę pacjenta. Następnie chirurdzy wykonali kilkadziesiąt nakłuć rdzenia kręgowego i ponad sto iniekcji wcześniej namnożonych glejowych komórek węchowych. Wstrzykiwano je powyżej i poniżej miejsca uszkodzenia rdzenia. Potem pozostało już tylko czekać. I stało się coś, czego lekarze nie wahają się nazwać cudem.
W ciągu następnych miesięcy pacjentowi powoli wracało czucie w nogach, a po półtora roku po operacji Dariusz Fidyka z pomocą fizjoterapeutów po raz pierwszy stanął na nogi. Jednak glejowe komórki węchowe to tylko jeden z wielu typów komórek, które niosą nową nadzieję chorym na choroby mózgu czy układu nerwowego. Intensywne prace toczą się także nad nowymi terapiami, w których korzysta się z komórek macierzystych. Największym problemem w leczeniu chorób neurodegeneracyjnych był dotychczas fakt, że raz zniszczonych komórek nerwowych nie udawało się w żaden sposób odbudować. Dlatego te choroby dzisiaj są tak trudne do wyleczenia. Naukowcy mają jednak nadzieję, że uda się wreszcie zastąpić uszkodzone neurony – np. w chorobie Alzheimera czy Parkinsona – zdrowymi, świeżo wyhodowanymi komórkami nerwowymi. Ma się to stać właśnie za sprawą komórek macierzystych. Najważniejszą cechą wszystkich komórek macierzystych jest to, że mogą one przekształcać się w różne dojrzałe komórki organizmu. Oczywiście, typów komórek macierzystych jest bardzo dużo (patrz ramka), a wśród nich szczególnie ciężko jest pozyskać komórki mogące różnicować się w neurony.
– Korzystanie z komórek macierzystych w leczeniu chorób mózgu jest trudne również dlatego, że nie pokonują one bariery krew-mózg – mówi dr hab. Bogusław Paradowski z Uniwersytetu Medycznego we Wrocławiu. – Większość podejmowanych prób terapeutycznych w chorobach zwyrodnieniowych układu nerwowego kończy się niepowodzeniem lub subiektywną poprawą.
Parkinson, Huntington, SLA…
Czasami jednak się udaje, a terapie niosą chorym nową nadzieję. Naukowcom z Uniwersytetu Lund w Szwecji udało się wyhodować nowe neurony z komórek macierzystych, a co więcej, za ich pomocą cofnąć objawy parkinsona. Wprawdzie tylko u szczurów, jednak naukowcy sądzą, że terapia mogłaby zadziałać również u ludzi. Choroba Parkinsona spowodowana jest degeneracją maleńkiej, ale niezwykle ważnej grupy neuronów, produkujących neuroprzekaźnik – dopaminę. Utrata tych komórek powoduje drżenia, sztywności i osłabia koordynację – to klasyczne objawy parkinsona. Dlatego naukowcy postanowili przeszczepić embrionalne komórki macierzyste w miejsca, w których w mózgu zazwyczaj produkowana jest dopamina, mając nadzieję, że komórki przekształcą się w nowe neurony i zastąpią te zniszczone przez chorobę. I tak się stało. Komórki macierzyste w szczurzych mózgach zaczęły różnicować się w neurony produkujące dopaminę. A u szczurów zaczęły cofać się objawy choroby – drżenia i sztywność mięśni.
– Te komórki stały się nie tylko pełnowartościowymi komórkami produkującymi dopaminę w mózgu, ale także były zdolne do tworzenia połączeń z odległymi rejonami mózgu, do których transportowały dopaminę – mówiła w rozmowie z „Medical News Today” prof. Malin Parmar, szefowa badania. Ma ona nadzieję, że w ciągu trzech lat będzie można wykonać pierwsze testy tej metody z udziałem ludzi. W podobny sposób będzie można prawdopodobnie poprawić stan chorych na chorobę Huntingtona, ciężką, dziedziczną chorobę mózgu, w której dochodzi do uszkodzenia neuronów głównie w części mózgu zwanej prążkowiem. Prążkowie kontroluje też emocje oraz bierze udział w procesach poznawczych. Te uszkodzenia powodują narastanie ruchów mimowolnych, impulsywności oraz otępienie u chorego. Ale, jak się okazuje, uszkodzenia można naprawić. Zespół z Uniwersytetu Wisconsin pod przewodnictwem Su-Chun Zhang wstrzyknął komórki zastępcze myszom z uszkodzonym prążkowiem. Okazało się, że przeszczepione komórki są zdolne do tworzenia nowych połączeń w mózgach dorosłych myszy, a co ważniejsze, że połączenia te mogą poprawić stan chorego zwierzęcia.
Nad zastosowaniem komórek macierzystych w leczeniu chorób neurologicznych pracują także polscy naukowcy. W Olsztynie zespół naukowców i lekarzy pod kierownictwem prof. Wojciecha Maksymowicza z Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego prowadzi badania nad zastosowaniem ich w leczeniu stwardnienia zanikowego bocznego (SLA). Przed dwoma laty głośno było o wykonanej przez zespół prof. Maksymowicza operacji przeszczepienia somatycznych komórek macierzystych osobom z tą chorobą, prowadzącą do śmierci w ciągu 3–5 lat od wystąpienia pierwszych objawów. Lekarze z Olsztyna pobrali od chorych szpik kostny, a następnie wyodrębnili z niego komórki macierzyste. Potem wszczepili je do kanału kręgowego chorych, licząc na to, że komórki przekształcą się w neurony i zastąpią te zniszczone przez SLA. Tak się jednak w większości nie stało. Prof. Maksymowicz mówił wówczas w rozmowach z mediami, że komórki w większości nie przekształciły się w neurony, były, jak to ujął uczony, „nieporadne”, ale, jak się okazało, sama ich obecność działała osłonowo na rdzeń kręgowy, spowalniając postęp tej okrutnej choroby. (Więcej w wywiadzie z prof. Maksymowiczem w numerze 1(2)2015 „Świata Mózgu”).
Geny do naprawy
Podobne nadzieje wiązane są z szybkim rozwojem terapii genowych. Dotychczas wrodzone choroby genetyczne były nieuleczalne, a w najlepszym wypadku można było łagodzić ich objawy. Jednak prace prowadzone w laboratoriach badawczych na całym świecie dają nadzieję, że przynajmniej niektóre rodzaje chorób genetycznych będzie można trwale wyleczyć. Najszybciej stanie się tak zapewne w przypadku chorób wywołanych przez brak jakiegoś genu lub jego nieaktywność (drugi rodzaj chorób genetycznych ma u podłoża wadliwe działanie jednego lub całej grupy genów).
Nowy sposób leczenia chorób spowodowanych niedziałaniem jakiegoś genu będzie polegał na wprowadzeniu do komórek osoby chorej prawidłowo działającego genu. Takim nośnikiem – zwanym przez naukowców wektorem – zdrowego genu może być odpowiednio zmodyfikowany wirus, który ma zdolność do przenikania ścian komórkowych i wbudowywaniu się w DNA zainfekowanej osoby. Taka terapia jest już stosowana eksperymentalnie w leczeniu choroby Parkinsona. Posłużył się nią prof. Peter LeWitt z Fenstein Institute for Medical Research w Manhasset w Nowym Jorku, który opisał wyniki testów nowej metody z udziałem ludzi w specjalistycznym piśmie „Lancet Neurology”. W testach wzięło udział 45 pacjentów cierpiących na chorobę Parkinsona od co najmniej 5 lat.
Naukowcy wprowadzili u tych osób miliardy kopii terapeutycznego genu wbudowanego w materiał genetyczny nieszkodliwego wirusa do jądra niskowzgórzowego w obu półkulachmózgu. Ten terapeutyczny gen koduje enzym odpowiedzialny za syntezę GABA, drugiego po dopaminie kluczowego neuroprzekaźnika, którego wydzielanie zaburzone jest u osób z parkinsonem. Naukowcy mieli nadzieję, że nowo wprowadzony gen zwiększy produkcję tego neuroprzekaźnika w mózgach chorych. I rzeczywiście tak się stało. Po pół roku od operacji wprowadzenia terapeutycznego genu u chorych objawy ruchowe parkinsona zmalały o 23%. Naukowcy raportowali, że poprawa funkcji motorycznych zaczęła być widoczna już po miesiącu od operacji i utrzymywała się przez całe pół roku prowadzenia obserwacji.
Nowy, lepszy człowiek
Wkrótce zapewne podobnie będzie można leczyć również inne choroby neurologiczne, w tym dziedziczną chorobę Huntingtona czy rdzeniowy zanik mięśni SMA. Jednak nowe metody leczenia wzbudzają tyle samo nadziei, co kontrowersji, zwłaszcza jeżeli manipulacje genetyczne będą stosowane na poziomie zarodkowym, bo już u zarodka możemy rozpoznać choroby genetyczne. Szeroko dostępna jest przecież metoda zwana diagnostyką preimplantacyjną, stosowana w procedurze zapłodnienia in vitro. W trakcie takiej diagnostyki pobiera się z kilkudniowego zarodka jedną komórkę i sekwencjonuje jej genom w poszukiwaniu mutacji i uszkodzeń. Dzięki temu podczas procedury in vitro do macicy kobiety może być wszczepiony tylko zdrowy zarodek, z którego urodzi się pozbawione wad genetycznych dziecko. Chore zarodki zazwyczaj same obumierają.
A co, gdybyśmy potrafili je leczyć? To jest prawdopodobne, bo już dziś ludzkość ma za sobą pierwsze udane próby manipulowania genami zarodków. Przed kilkoma miesiącami niezwykle głośne było dokonanie naukowców z Chin, którzy zmodyfikowali w embrionach gen odpowiedzialny za groźną chorobę krwi – beta-talasemię. Po raz pierwszy w historii ludzki zarodek został uwolniony od choroby genetycznej. Chińskim naukowcom udało się zmodyfikować geny zarodków dzięki specjalistycznej metodzie, która polega na wpuszczeniu w okolicę wadliwego genu odpowiednich enzymów, które szatkują i rozdzielają łańcuch genetyczny. Dzięki temu naukowcom udało się wydobyć z zarodków gen choroby i wstawienie zamiast niego innej cząsteczki kwasu DNA.
Etyka a geny
Dzisiaj takich eksperymentów na zarodkach zdolnych do życia nie można wykonywać. Dlatego w swoich badaniach zespół prof. Huanga wykorzystał jednokomórkowe embriony, które w procesie zapłodnienia in vitro otrzymały dodatkowy zestaw chromosomów. Takie embriony rozwijają się tylko przez kilka dni, potem naturalnie obumierają. Gdyby jednak mogły się rozwinąć, narodzone z nich dzieci byłyby wolne od beta-talasemii. To imponujące dokonanie naukowe wywołało prawdziwą lawinę dyskusji na temat etycznych aspektów tego typu eksperymentów. Jedną z najczęściej powtarzanych w stosunku do terapii genowych jest obawa o to, że techniki pozwalające naprawiać chore geny i zamieniać uszkodzone geny nowymi, zdrowymi, doprowadzą do tego, że nie poprzestaniemy na leczeniu chorób tymi metodami, ale pójdziemy dalej – zaczniemy nasze geny ulepszać.
O ile leczenie ciężkich chorób wydaje się perspektywą, o którą warto ze wszystkich sił walczyć, o tyle trzeba pamiętać, że dokładnie takimi samymi metodami będzie można z ludzkiego genomu usuwać i wstawiać dowolne geny, odpowiadające np. za intelekt czy wygląd. Nietrudno sobie wyobrazić, że rodzice mogą chcieć dzieci inteligentnych, wysokich, o określonym kolorze oczu, utalentowanychmuzycznie czy sportowo. A manipulowaniegenami w celu poprawienianaszych zdolności czy inteligencjito już czysta eugenika, mająca złą sławę jeszcze od czasów, kiedy naziści usiłowali wyhodować „czystą” rasę aryjską – wysokich blondynów o niebieskich oczach. Od takich prób już tylko krok do stworzenia zupełnie nowego gatunku – superczłowieka, w porównaniu z którym inni stają się tymi gorszymi. Nawet manipulacje genetyczne wykonywane po to, aby uwolnić ludzi od groźnych chorób, mogą mieć skutki, których dzisiaj nie jesteśmy jeszcze świadomi. A tego typu manipulacje i zmiany będą przecież dziedziczne.
Jak twierdzi wielu bioetyków, skoro na obecnym etapie rozwoju biomedycyny nie potrafimy przewidzieć wszystkich konsekwencji modyfikacji genetycznych, nie mamy moralnego prawa narażać przyszłych pokoleń na niebezpieczeństwo.
Embrion na komórki
Do niedawna podobnie kontrowersyjne wydawały się terapie zarodkowymi komórkami macierzystymi. O ile terapie komórkami pobranymi z krwi lub szpiku dorosłego człowieka nie budzą specjalnych kontrowersji, o tyle pozyskiwanie komórek z zarodka jest jedną z najbardziej kontrowersyjnych procedur medycznych. Najczęściej bowiem, aby pozyskać te komórki, trzeba sklonować ludzkie zarodki, a następnie uśmiercić je, bo żaden zarodek nie przeżyje pobrania komórek. Nic więc dziwnego, że takim zabiegom sprzeciwiają się szczególnie mocno organizacje religijne. Jak pisze w portalu medycznym MP.pl ks. prof. PAT dr hab. Tadeusz Biesaga z Papieskiej Akademii Teologicznej, pozyskiwanie komórek macierzystych metodą klonowania zarodków ludzkich i ich eutanazji w wyniku ekstrakcji tych komórek pozostaje etycznie nie do przyjęcia, nawet jeśli zarodek taki powstaje wyłącznie w tym celu. Środowiska religijne uważają, że może to doprowadzić do zrównania z moralnego punktu widzenia ludzkiego embrionu z dowolną inną tkanką, a to oznaczałoby deprecjonowanie wartości ludzkiego życia. Dlatego też osoby reprezentujące takie poglądy stanowczo nie zgadzają się z opinią, że sklonowany w celu terapeutycznym, czyli dla pozyskania komórek macierzystych embrion, nie jest początkiem przyszłego życia, a jedynie materiałem biologicznym o zastosowaniach terapeutycznych. Odrzucają one również argument, że w wyniku pozyskania embrionalnych komórek macierzystych, może zostać uratowane czyjeś życie, z ich punktu widzenia bowiem, życie to ratowane jest kosztem pozbawienia go innej istocie, a więc jest to moralnie niedopuszczalne. Pada tu porównanie do sytuacji, w której transplantolodzy pobraliby od zdrowego człowieka wszystkie narządy, by ratować innych ludzi.
Żaby i ludzie
Popierający takie stanowisko naukowcy wskazują również inne, nie budzące zastrzeżeń moralnych źródła komórek macierzystych. Zauważają, że nasza rosnąca wiedza o nich samych i możliwościach manipulowania nimi sprawia, że za pobieraniem komórek z zarodków stoją już tylko argumenty finansowe, gdyż z naukowego punktu widzenia nie jest to konieczne.
Naukowcy mają już bowiem sposoby, aby częściowo zróżnicowane komórki macierzyste pobrane od człowieka „cofnąć” w rozwoju aż do etapu komórek zarodkowych. Trzeba użyć do tego terapii genowej. Takie prace są już prowadzone, a w 2012 r. zostały uhonorowane Nagrodą Nobla. Otrzymało ją dwóch naukowców – prof. John Gurdon za transfer jąder komórkowych pobranych od kijanki do jądra komórkowego dorosłej żaby, czyli zamianę komórki dorosłej w komórkę dopiero rozwijającą się. (Wywiad z prof. Johnem Gurdonem w numerze 1(2)2015„Świata Mózgu” – przyp.red.) Drugim laureatem był prof. Shin’ya Yamanaka z uniwersytetu w Kioto, który rozwinął prace prof. Gurdona sprzed 40 lat, stosując jednak nieco inne metody. Uczony po raz pierwszy cofnął w rozwoju pobrane z organizmu myszy komórki skóry za pomocą manipulacji zaledwie czterema genami tych komórek. Uzyskany w ten sposób nowy typ komórek został nazwany indukowanymi komórkami pluripotentnymi (IPS). Prof. Yamanaka wykazał, że można z nich wyhodować ponownie nie tylko komórki skóry, ale także kości, mięśni czy komórki nerwowe. I nie trzeba przy tym uśmiercać żadnego zarodka.
Jednak od tych prac do rzeczywistego użycia ludzkich komórek IPS w terapii jeszcze daleka droga, dlatego wciąż wielu naukowców uważa dziś ludzkie zarodkowe komórki macierzyste za przyszłość terapii wielu chorób. Ich zdaniem, komórki pobrane od zarodka mają ogromny potencjał leczniczy i dalsze badania nad nimi są dla rozwoju medycyny wprost niezbędne. Jaki więc będzie w najbliższych latach status tych badań? Wciąż nie wiadomo. Jak stwierdza raport UNESCO, problem pozyskiwania embrionalnych komórek macierzystych raczej nie doczeka się w najbliższym czasie rozwiązania międzynarodowego i każdy kraj będzie musiał wdrażać tu regulacje oparte na własnym systemie prawno-filozoficznym. Czy można uśmiercić zarodek, aby uratować życie dorosłego człowieka czy dziecka? To jedno z tych trudnych pytań, na które wszyscy będziemy musieli w najbliższym czasie znaleźć odpowiedź.
RODZAJE KOMÓREK MACIERZYSTYCH
1. Ze względu na zdolność do różnicowania się:
• komórki totipotencjalne – najbardziej prymitywne, pierwotne komórki ludzkie, z których może powstać każda inna tkanka i organ ludzkiego ciała, łącznie z łożyskiem. Komórkami totipotencjalnymi są wyłącznie komórki zarodkowe w pierwszych czterech dniach rozwoju.
• komórki pluripotencjalne – może się z nich ukształtować każdy organ, łącznie z mózgiem, jednak oprócz łożyska. Komórki te mogą być pozyskiwane z ludzkiej blastocysty (stadium rozwoju zarodkowego, w którym zarodek zagnieżdża się w macicy).
• komórki multipotencjalne – kolejny etap zróżnicowania komórek. Z komórek multipotencjalnych mogą ukształtować się wyspecjalizowane komórki, w zależności od tzw. listka zarodkowego (mezoderma, ektoderma, endoderma), z którego powstały. Komórki mezodermy mogą dać początek komórkom krwi lub mięśni, a komórki ektodermy w komórki skóry lub neurony. Źródłem tych komórek jest krew pępowinowa.
• komórki unipotencjalne – może ukształtować się z nich tylko jeden, konkretny typ komórek. Komórki unipotencjalne są w ciele każdego dorosłego człowieka i odpowiadają za regenerację organizmu. Można z nich wyhodować narząd, z którego zostały pobrane. Trwają również prace nad genetycznym „odprogramowaniem” komórek unipotencjalnych, tak aby nabrały cech komórek multipotencjalnych. Da im to zdolność przekształcania się w w różne tkanki.
2. Ze względu na źródło pochodzenia:
• zarodkowe – totipotencjalne i pluripotencjalne,
• płodowe – multipotencjalne, somatyczne – z organizmu dorosłego człowieka – unipotencjalne i multipotencjalne, w tym indukowane komórki pluripotencjalne, sztucznie cofnięte w rozwoju do stadium zarodkowego.
Artykuł autorstwa Agaty Lato zamieszczamy dzięki uprzejmości redakcji „Świat Mózgu”, którego wydawcą jest Fundacja NeuroPozytywni
Bibliografia:
- ILAR JOURNAL
- SFN.org
- naukawpolsce.PAP.pl
- Adeno-associated Virus Vectors for Gene Therapy Of Neurological Disorders – Matthew During; Nature genetics 8.2 (1994): 148-154.
- CRISPR/Cas9-mediated gene editing in human tripronuclear zygotes; Junjiu Huang i in.; Protein&Cell; May 2015, Volume 6, Issue 5, s. 363-372.
