Medicīnas jaunais rīku komplekts

Ēkas otrajā stāvā vienā no Dienvidsanfrancisko daudzajiem biznesa parkiem jauns biotehnoloģiju uzņēmums ir izveidojis veikalu. Sienas ir pārklātas ar svaigu baltu krāsu, un sola virsmas ir spīdīgas un tukšas. Flīžu grīdas joprojām ir glancētas, un dārga jauna šūnu šķirošanas iekārta neskarta atrodas iekraušanas dokā lejā.

Ēkas jaunais iemītnieks iZumi Bio izmanto tikpat jaunu un daudzsološu tehnoloģiju kā pati laboratorija — tehnoloģiju, kas attīstās ātrāk, nekā uzņēmums spēj aizpildīt savu tukšo vietu. Tas griežas ap inducētām pluripotentām cilmes (iPS) šūnām: pieaugušām šūnām, kas ģenētiski pārprogrammētas, lai darbotos kā embrionālās cilmes šūnas, kas var pārvērsties gandrīz par jebkura veida šūnām cilvēka ķermenī.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2009. gada jūlija numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Zinātnieki ir runājuši par cilmes šūnu medicīnisko solījumu jau vairāk nekā desmit gadus, pat pirms cilvēka embriju cilmes šūnu veiksmīgas izdalīšanas 1998. gadā. Lielākā daļa sabiedrības uzmanības ir vērsta uz to reģeneratīvo spēku: tā kā cilmes šūnas var atjaunoties un atšķirties specializētiem šūnu tipiem, tos varētu izmantot, lai izveidotu aizstājējorgānus, dziedinātu muguras smadzeņu traumas vai labotu bojātos smadzeņu audus. Taču pētniecības pasaule ir tiecusies arī uz citu, vēl plašāku mērķi: izmantojot dažādu slimību pacientu šūnas, lai iegūtu pluripotentas cilmes šūnas, kas var radīt ne tikai specializētas šūnas noteiktā orgānā vai audos, bet praktiski jebkura šūna. veids. Šīs šūnas varētu izmantot, lai izveidotu slimību laboratorijas modeļus. Piemēram, Parkinsona slimnieka šūnu var pārvērst par neironu, kas parādītu progresējošas molekulārās izmaiņas neirodeģeneratīvo traucējumu darbā. Šāda veida rīks varētu iegūt informāciju par cilvēka slimībām ar nepieredzētu precizitāti, un tas varētu mainīt veidu, kā pētnieki meklē jaunas ārstēšanas metodes.

Cilvēka slimību pētīšana laboratorijā ir ārkārtīgi sarežģīts uzdevums. Piemēram, ir grūti iegūt smadzeņu audus no dzīva Alcheimera slimnieka, un nav iespējams izpētīt, kā šie audi mainās, slimībai progresējot. Dzīvnieku modeļi var piedāvāt tikai aptuvenus cilvēka slimības aptuvenus datus, labākajā gadījumā fiksējot dažus tās simptomus vai cēloņus. Taču iPS šūnas varētu sniegt daudz visaptverošāku priekšstatu. Tā kā katra šūnu līnija nāk no cilvēka pacienta, šūnas atspoguļo sarežģīto faktoru kopumu, kas izraisīja pacienta slimību: ģenētiskās mutācijas, vides vēstures sekas. Un, tā kā šīs šūnas var pamudināt attīstīties par dažādiem audu veidiem, zinātnieki var vērot slimības attīstību Petri trauciņā. Viņi var novērot, piemēram, smalkās molekulārās izmaiņas, kas notiek Alcheimera slimnieka neironos ilgi pirms tam, kad smadzenēs ir pamanāmas slimības pazīmes, piemēram, amiloīda plāksnes. Tā ir atšķirība starp mēģinājumu apkopot lidmašīnas avārijas detaļas no atlūzu fotoattēliem un lidmašīnas avārijas video skatīšanos no jebkura leņķa ar iespēju pēc vēlēšanās apstāties, tuvināt un attīt atpakaļ.

Pēdējie divi gadi ir bijuši tikai revolūcija, saka Džons Dimoss, iZumi vecākais zinātnieks. Pirms diviem gadiem šīs šūnas īsti nepastāvēja. Tas viss ir pilnīgi jauna tehnoloģija, un tā paver jaunas zinātnes potenciālu. Uzņēmums plāno izmantot šo potenciālu, izstrādājot iPS šūnu banku no pacientiem ar dažādām slimībām un izmantojot šūnas, lai pārbaudītu kandidātus zāļu izstrādei.

Tūkstošiem citu laboratoriju izmanto iespēju izmantot arī iPS šūnas, lai izveidotu jaunus slimību modeļus, pētītu audu attīstību vai pat izdomātu, kā izveidot audus transplantācijai. Biologi saka, ka lauks ir uzlādēts ar tādu enerģiju, kas nav redzēta drīz pēc DNS struktūras atklāšanas. Tā ir patiešām reta parādība bioloģisko pētījumu aprindās, saka Sheng Ding, ķīmiķis Scripps pētniecības institūtā Lajolla, Kalifornijā. Tā ir sensācija, tiešām. Ikviens vairāk vai mazāk strādā pie iPS šūnu tehnoloģijas izmantošanas savām īpašajām pētniecības interesēm.

Cilmes šūnas 2.0
Zinātnieki gadu desmitiem ir meklējuši veidus, kā tieši pārprogrammēt pieaugušo šūnas. Šīs medības ir veicinājušas vēlme izstrādāt alternatīvu cilvēka embriju cilmes šūnām, kuras ir saistītas gan ar tehniskiem, gan ētiskiem jautājumiem. Šūnas parasti tiek iegūtas no četras vai piecas dienas veciem embrijiem, kas citādi tiktu izmesti no in vitro apaugļošanas klīnikām (lai gan dažreiz embriji ir izveidoti tieši pētniecības nolūkos). Šīs metodes izmantošana, lai izveidotu spēcīgu šūnu līniju, ir sarežģīta un ļoti neefektīva. Ne tikai pašus embrijus ir grūti iegūt, bet arī šūnas ir delikātas un grūti augt.

Vēl viena metode, cilvēka terapeitiskā klonēšana, ir vēl pretrunīgāka un gan tehniski, gan praktiski izaicinoša. Zinātnieki pārvieto pieaugušas šūnas kodolu neapaugļotas olšūnas izdobtajā apvalkā, kas pēc tam var attīstīties par embriju, iegūstot cilmes šūnas, kas ir pieaugušo šūnu ģenētiskie kloni. Taču cilvēka olšūnu trūkums pētniecībai ir izrādījies milzīgs šķērslis, un zinātniekiem vēl ir jāģenerē klonētas cilvēka šūnu līnijas.

Bet pirms trim gadiem Shinya Yamanaka no Kioto universitātes Japānā izdomāja, kā atgriezt pieaugušu peles šūnas embrionālam stāvoklim procesā, kurā nekad nebija iesaistīts īsts embrijs. Viņš atklāja, ka vīrusa izmantošana, lai piegādātu gēnus tikai četriem specifiskiem proteīniem pieaugušas šūnas kodolā, varētu dot tai spēju diferencēties dažādos šūnu tipos, tāpat kā cilmes šūnām, kas iegūtas no embrijiem. Šķiet, ka šie proteīni, kas parasti atrodami jaunattīstības embrijos, ieslēdz un izslēdz citus gēnus atbilstoši embriju, nevis pieaugušo šūnām raksturīgajam modelim. Gadu pēc Jamanakas atklājuma viņa grupa un vēl divi citi ziņoja, ka viņi var pamudināt cilvēka šūnas rīkoties tāpat.

Būdama ārste un riska kapitāliste, kas cieši sekoja cilmes šūnu pētījumiem, Beta Seidenberga gandrīz uzreiz ieraudzīja potenciālu. Seidenbergs, Kleiner Perkins Caufield un Byers partneris, sadarbojās ar citu riska kapitāla uzņēmumu Highland Capital Partners, lai 2007. gadā nodibinātu iZumi, finansējot uzņēmumu ar 20 miljoniem ASV dolāru. Pēc 20 gadiem farmācijas pētniecībā Seidenbergam ir bijis daudz laika, lai domātu par to, ko nozare dara pareizi un kur tā notiek nepareizi. Viņa saka, ka mani patiesi ieinteresēja doma sākt ar pacientu, kuram bija slimība, un strādāt atpakaļ, kas ir tieši pretējs tam, kā mēs šodien cenšamies izmantot jaunas terapijas slimības ārstēšanai.

Lai ilustrētu iPS šūnu lomu zāļu atklāšanā, Džons Dimoss norāda uz amiotrofisko laterālo sklerozi (ALS), neirodeģeneratīvu slimību, kuru viņš ir pētījis gadiem ilgi. Apmēram 2 procentiem gadījumu ir zināms ģenētisks cēlonis - mutācija gēnā, ko sauc par SOD1. Gandrīz viss darbs ar dzīvnieku modeļiem ir vērsts uz šo reto slimības formu, jo pētnieki zina, kā izmantot gēnu, lai to izraisītu pelēm. Tomēr, izmantojot jauno tehnoloģiju, zinātnieki var izmantot ādas biopsiju, lai radītu pluripotentas cilmes šūnas no jebkura pacienta ar ALS. Ģenētika un citi iespējamie faktori, kas ir slimības pamatā, tiek fiksēti šūnās, pat ja neviens skaidri nezina, kas ir šie faktori. Tas pats attiecas uz Alcheimera slimību, diabētu, autismu, sirds slimībām un neskaitāmām citām slimībām, kuru sarežģīto izcelsmi ir grūti noteikt.

Būdams pēcdoktorants Hārvardā, Dimoss izveidoja ALS šūnu modeli, kas pirmo reizi ļāva pētīt neirodeģeneratīvu slimību ārpus dzīvnieka. Viņš un viņa kolēģi savāca ādas šūnas no 82 gadus vecas sievietes ar ALS, pārprogrammēja tās iPS šūnās un lika šūnām diferencēties motoros neironos, kas bija ģenētiski identiski donora bojātajām šūnām. Tas bija pirmais dokuments, kas parādīja, ka jūs varat izmantot cilmes šūnu, lai redzētu slimības patoloģiju Petri trauciņā, saka Duglass Meltons, Hārvardas cilmes šūnu institūta līdzdirektors. Tas nozīmē, ka tagad slimības var pētīt Petri trauciņos, nevis cilvēkos. Tas ir milzīgi.

Tā kā tās ir iegūtas no cilvēkiem, kuriem ir dokumentēta slimības vēsture, iPS šūnām ir pievienotas iepriekš nepieejamas informācijas daudzums. No viņu slimības vēstures var redzēt slimības progresēšanu, to, kā viņi reaģēja uz dažādām zālēm, kādi simptomi viņiem radās un kad, saka Dimos. Dažas zāles var būt vairāk vai mazāk efektīvas atkarībā no pacienta ģenētiskās uzbūves; daži cilvēki, piemēram, labi reaģē uz krūts vēža medikamentu taksolu, savukārt citiem var nebūt atbildes reakcijas. Ja zinātnieki zinātu, ka konkrētas zāles iedarbojas uz noteiktiem cilvēkiem vai, gluži pretēji, izraisīja smagas blakusparādības, viņi varētu izmantot savas šūnas, lai mēģinātu noskaidrot, kāpēc, un izmantot šo informāciju, lai izstrādātu labākas terapijas.

Līdz šim Hārvardas Cilmes šūnu institūta zinātnieki un viņu kolēģi ir izmantojuši iPS šūnu tehnoloģiju, lai izveidotu vairāk nekā 20 slimībai specifiskas cilmes šūnu līnijas, kas izstrādātas, lai palīdzētu viņiem pētīt apstākļus, tostarp Parkinsona slimību un 1. tipa diabētu. Kamēr šī joma joprojām ir agrīnā stadijā, pētnieki ir sākuši redzēt pierādījumus, ka tie var atkārtot noteiktus cilvēku slimību aspektus traukā.

Pirmais iZumi mērķis ir izveidot savu pārprogrammētu šūnu banku. Sākumā bankā būs šūnas, kas iegūtas no pacientiem ar dažādām neirodeģeneratīvām slimībām — ALS, mugurkaula muskuļu atrofiju un Parkinsona slimību, kā arī sirds un asinsvadu traucējumiem, kas pazīstami kā kaļķakmens aortas vārstuļa slimība, ko viņi pēta kopā ar līdzstrādniekiem plkst. Gladstonas institūts Kalifornijas Universitātē, Sanfrancisko. Izveidojot sarežģītas šūnu sistēmas, kas ietver dažādus katras slimības skartos šūnu tipus, piemēram, motoros neironus un skeleta muskuļu šūnas, viņi var precīzi novērot, kā attīstās ALS un citi apstākļi.

Uzņēmums vēlas izstrādāt zāles, koncentrējoties uz neirodeģeneratīvo slimību terapiju. Tā sadarbosies arī ar citiem farmācijas uzņēmumiem, lai atrastu ārstēšanu citām slimībām. Mēs uzskatām, ka piektajā gadā — līdz 2012. gadam, mums tiks izstrādāta mūsu pašu patentēta terapija, saka izpilddirektors Džons Volkers.

Bedrains ceļš
Ja iPS šūnu zinātnieki ir kaut ko iemācījušies no embrionālo cilmes šūnu izpētes sāgas, tas ir tas, ka potenciāls ne vienmēr izpaužas peļņā vai panākumos: neskatoties uz embrionālo cilmes šūnu lielo solījumu, biznesa modeļa veidošana ap to terapeitisko izmantošanu ir palīdzējusi. bijis izaicinājums. Daļu vainu var novelt uz prezidentu Džordžu Bušu. 2001. gadā, atsaucoties uz ētiskiem iebildumiem pret šūnu iegūšanas procesu, kas iznīcina vairākas dienas vecu embriju, viņš ierobežoja federālo pētniecības finansējumu šai tehnoloģijai ar nelielu skaitu jau esošo cilmes šūnu līniju. Strīdi, federālo ieguldījumu trūkums un zināma nenoteiktība, kas saistīta ar pašu zinātni, dažus pētniekus nevēlējās pētīt embrionālās cilmes šūnas, un daudzi riska kapitālisti vilcinājās atbalstīt centienus tās komercializēt.

Baraks Obama lika atcelt federālā finansējuma ierobežojumus viņa prezidentūras sākumā, taču viņa priekšgājēja politika, iespējams, atcēla šo jomu daudzus gadus atpakaļ. Un embrionālās cilmes šūnas ir tik smalkas un neparedzamas, ka uz tām balstītas ārstēšanas izstrāde ir bijusi sarežģīta pat neatkarīgi no finansējuma šķēršļiem. Tikai šogad, vairāk nekā desmit gadus pēc tam, kad cilvēka embrija cilmes šūnas pirmo reizi tika izolētas, tās beidzot nonāks klīniskajos pētījumos. Pirmo terapiju, akūtu muguras smadzeņu bojājumu ārstēšanu, ko izstrādājis biotehnoloģiju jaunizveidotais uzņēmums Geron, paredzēts izmēģināt vēlāk šogad.

Tas ir sava veida “labo ziņu, slikto ziņu” scenārijs, saka Daniels Omsteds, Hambrecht and Quist Capital Management izpilddirektors. Katru ceturksni vai gadu jūs redzat jaunus notikumus, kas jūs ļoti sajūsmina par nākotni, bet daudz apdomīgāk par... spēju tuvākajā laikā nopelnīt naudu, investējot tehnoloģijās, kas izārstēs slimības. Viņš vēl nav pārliecināts, vai iPS-šūnu tehnoloģija izrādīsies cilmes šūnu lauks, un arī viņa kolēģi riska kapitālisti nav pārliecināti. Es domāju, ka daudzi uzņēmumi iznāks no cilmes šūnu apgabala, taču es nezinu, vai tie noteikti būs vērsti uz iPS šūnām, saka Amirs Našats no Polaris Venture Partners, kas ir finansējis uzņēmumu, kas daļēji balstīts uz šo tehnoloģiju ( skatīt tabulu augstāk ).

Cilmes šūnas varētu būt vieglāk komercializēt kā instrumentus zāļu izstrādei, jo ​​jaunā tehnoloģija šķiet īpaši daudzsološa. Taču iPS šūnās joprojām ir daudz nezināmo: tās nav tik labi pētītas kā embrionālās cilmes šūnas, un vēl nav neviena standarta, pēc kura tās varētu izmērīt. Tas ir viens no iemesliem, kāpēc neviens vēl nevēlas apgalvot, ka iPS šūnas padarīs embriju cilmes šūnas novecojušas; Patiešām, iPS šūnu nekonsekvence šobrīd ir viena no lielākajām pētniecības kavēkļiem. Pētnieki īsti nesaprot, kāpēc, bet pat vienas un tās pašas partijas šūnas var izturēties ļoti atšķirīgi. Dažus ir viegli pārvērst citos audos; daži ir spītīgi. Un strauji augošais iPS šūnu veidošanas metožu repertuārs palielina mainīgumu.

Tikai pirms gada pētniekiem bija jāizmanto vīruss, lai ievietotu četrus proteīnus, kas nepieciešami, lai pieaugušo šūnu pārvērstu iPS šūnā. Vīruss arī ievietoja nelielus daļiņas no sevis šūnas genomā, iebrukums, kas ne tikai novērš terapeitisko lietošanu, bet arī padara laboratorijas pētījumus daudz mazāk ticamus. Jaunākās metodes izmanto olbaltumvielas vai ķīmiskas vielas, savukārt dažas metodes joprojām izmanto vīrusus. Pirms viņi var izmantot šūnas, kas radītas visos šajos dažādajos veidos, zinātniekiem ir jāizpēta un jādokumentē to īpašības. Mēs tikko pabeidzām mūsu izveidotās 12 līniju grupas sākotnējo raksturojumu. Un tad mēs izveidojām vēl dažus, saka Žanna Loringa, Scripps Reģeneratīvās medicīnas centra direktore. Tāpēc mēs ciešam no tā paša, ko visi citi. Citiem vārdiem sakot: Ak, Dievs, mums ir vairāk līniju, nekā mēs zinām, ar ko rīkoties.

Taču Hārvarda Meltons uzskata, ka šīs problēmas ir tikai īslaicīgas. Viņš saka, ka tas viss ir atrisināms īstermiņā – tuvākā gada laikā. Pēc tam triks būs izdomāt, kā mudināt šūnas atšķirties vēlamajos veidos. Ķermenī ir vairāk nekā 200 dažādu šūnu veidu, un, lai gan iPS šūnām ir potenciāls lai pārvērstos par kādu no tiem, patiesībā likt viņiem to darīt ir cits stāsts. Kā likt šūnai kļūt par aizkuņģa dziedzera beta šūnu? Kā pateikt, lai tā kļūtu par četrgraudu bazālo šūnu vai motoru neironu? viņš saka. Zinātnieki jau ir izdomājuši, kā izveidot dažus neironus un asins šūnas. Bet tie vēl nevar efektīvi ražot tādus svarīgus veidus kā aizkuņģa dziedzera beta šūnas, insulīna ražotāji, kas tiek iznīcināti diabēta gadījumā. Tomēr, saka Meltons, mēs tuvojamies.

Lai gan šķiet, ka tas ir tālu, zinātnieki joprojām pastāv iespēja, ka iPS šūnu tehnoloģiju kādu dienu varētu izmantot ārstēšanai. IPS šūnu tuvākā vērtība ir slimību modelēšana, ceļu identificēšana un zāļu skrīnings un izstrāde, saka Džordžs Deilijs, cilmes šūnu biologs no Hārvardas universitātes un Bostonas Bērnu slimnīcas. Bet es neatmetu cerību, ka mēs radīsim šūnas, kurām būs terapeitiska nozīme.

Tomēr pagaidām iZumi un citi uzņēmumi koncentrējas uz to, kas, viņuprāt, būs vistiešākā iPS šūnu izmantošana: kā instrumenti, lai izprastu dažas no mūsu postošākajām slimībām un atrastu labākus veidus, kā tās ārstēt. Viņi cer, ka jaunā tehnoloģija būtiski mainīs atkārtoto, variācijas pēc tēmas pieeju zāļu izstrādei, kas pēdējos gados ir kavējusi farmācijas progresu. Atklājumi, ko tas padara iespējamus, kādu dienu varētu pārvērst medicīnu par kaut ko tādu, ko mēs tikai tagad sākam iedomāties.

Lorēna Gravica ir ārštata rakstniece, kas dzīvo Losandželosā, Kalifornijā.

paslēpties