Sirds šūnu audzēšana tieši jums

Skatoties caur mikroskopu Medisonā, Viskonsīnā, es vēroju, kā manas sirds šūnas pukst Petri trauciņā. Izskatījās kā mirdzošas sarkanas garneles bez astēm, tās pulsēja un ļoti lēni virzījās viena pret otru. Man teica, ka, atstājot vairākas stundas, šie kardiomiocīti saplūdīs lāsēs, mēģinot izveidot sirdi. Man blakus atradās zinātnieki, kuri bija veikuši eksperimentus, ar kuriem viņi cerēja atklāt, vai manas sirds šūnas ir veselas, vai tās ir neparasti jutīgas pret zālēm un vai tās nesaņem pārmērīgu stresu, kad es kāpju pa kāpnēm.

Sniga ārpus Cellular Dynamics International (CDI) biroja parka logiem, kur es vēroju intīmu demonstrāciju par to, kā cilmes šūnu tehnoloģijas kādu dienu var apvienot ar personīgo genomiku un personīgo medicīnu. Es biju pirmais žurnālists, kurš veica eksperimentus, kuru mērķis bija noskaidrot, vai četrus gadus vecais process, kas rada inducētas pluripotentas cilmes (iPS) šūnas, var sniegt ieskatu veselīga cilvēka sirds šūnu darbībā un liktenī. Līdzīgus testus varētu veikt ar laboratorijā audzētām smadzeņu un aknu šūnām vai, visbeidzot, ar jebkuru no vairāk nekā 200 cilvēku šūnu tipiem. Šis ir nākamais solis personalizētajā medicīnā: iespēja pārbaudīt zāles un citus faktorus dažādiem šūnu tipiem, sacīja Kriss Pārkers, CDI galvenais komercdirektors, skatoties pār manu plecu.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2011. gada septembra numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

CDI zinātnieki radīja mazo manas sirds daļiņu, paņemot šūnas no manām asinīm un pārprogrammējot tās tā, lai tās atgrieztos pluripotentā stāvoklī, kas nozīmē, ka tās spēj izaugt par jebkuru ķermeņa šūnu tipu. Zinātne, kas to padara iespējamu, nāk no CDI līdzdibinātāja un cilmes šūnu pioniera Džeimsa Tomsona no Viskonsinas Universitātes, vienas no divām komandām, kas 2007. gadā atklāja iPS šūnu procesu, vadītājs. (Citus centienus vadīja Shinya Yamanaka no Kioto universitātes.) Rezultāti ir līdzīgi īpašajām šūnām, kas parādās embrijos dažas dienas pēc apaugļošanas.

Kopš 2008. gada beigām uzņēmums ir ražojis kardiomiocītus un nosūtījis sasaldētās šūnas uz sausā ledus akadēmiskiem zinātniekiem, lai izpētītu, kā šīs šūnas darbojas, un farmācijas nozares pētniekiem, lai tās izmantotu zāļu kandidātu agrīnās pārbaudēs. Viens no svarīgākajiem iemesliem, lai izmantotu šūnas, ir tas, ka tās var atklāt, vai zāles ir toksiskas sirdij, informācija, ko var palaist garām cita veida pārbaudēm. Pārkers saka, ka tirgū ir nonākušas vairākas zāles, kurām ir kardiotoksisks profils, un tas ir nepieņemami. Viņš saka, ka kardiomiocīti, kas iegūti no iPS šūnām, ir milzīgs uzlabojums salīdzinājumā ar līķu šūnām, kuras dažkārt izmanto, lai pārbaudītu iespējamos zāļu savienojumus. Atšķirībā no līķa šūnām, IPS ģenerētās šūnas pārspēj reāli un var tikt piegādātas lielos daudzumos pēc pieprasījuma. Turklāt iPS radītajām šūnām var būt tāds pats ģenētiskais sastāvs kā pacientiem, no kuriem tās nāca, un tas ir milzīga priekšrocība, pielāgojot zāles un ārstēšanu indivīdiem. Šīs pēc pasūtījuma izgatavotās šūnas tomēr nav lētas. Cellular Dynamics izpilddirektors Roberts Palajs saka, ka standarta flakons ar 1,5 miljoniem šūnu maksā apmēram 1500 USD.

Īpaši sensacionāla perspektīva ir tāda, ka iPS šūnas varētu pārstādīt pacientiem, lai tie varētu atjaunot slimus vai bojātus mugurkaulus, smadzenes, sirdis vai citus audus — priekšlikums, kas ir īpaši vilinošs, jo saimniekorganisms šīs šūnas nenoraidīs. Tie varētu arī kliedēt politisko strīdu par embrionālajām cilmes šūnām, jo ​​kādu dienu tie var dot iespēju iegūt pluripotentās šūnas, neiznīcinot cilvēka embriju.

Tomēr lielākajai daļai audu veidu transplantācija ir gadu attālumā, saka Aleksandrs Meisners, Hārvardas universitātes cilmes šūnu pētnieks. Viņš saka, ka nav triviāli atjaunot smadzeņu audus. Tas prasīs ilgāku laiku, nekā cilvēki domā. Tomsons piekrīt. Viņš saka, ka runas par transplantāciju ir bijušas sava veida neracionālas pārpilnības. Process, kurā iPS šūnas tiek izmantotas jaunu audu radīšanai, joprojām rada zināmas briesmas: dažās šūnu līnijās, piemēram, ir mutācijas, kas var izraisīt vēzi, un dažos gadījumos šūnas saglabā vāju ķīmisko atmiņu par savu iepriekšējo ādas vai asins šūnu identitāti.

Tomsons uzskata, ka tās ir īslaicīgas neveiksmes. Viņš saka, ka mums ilgu laiku ir veikta kaulu smadzeņu transplantācija, kas būtībā ir cilmes šūnas. Un šobrīd tiek veikts darbs pie iPS šūnu izmantošanas makulas deģenerācijas labošanai. Bet mugurkaula nervu bojājumu novēršana ir daudz grūtāka. Citi piekrīt viņa piesardzīgajam optimismam. Praktiski viss par iPS šūnām ir pārspīlēts, saka Kriss Ostins, Nacionālo veselības institūtu Ķīmiskās genomikas centra direktors. Bet, lai pārbaudītu narkotiku kandidātus, es domāju, ka iespējas ir ievērojamas, un mēs un daudzi citi cilvēki to cenšamies. Ir daudz problēmu. Vai iPS šūnas tiešām ir normālas? Kā iegūt pietiekami daudz tīru diferencētu šūnu? Bet potenciāls noteikti ir.

Spoži spīd: Autora sirds šūnu slānis zem mikroskopa izskatās kā haotisks puduris.

Pieturēšanās pie Zinātnes
Pirmo reizi es apmeklēju Džeimsu Tomsonu citā sniegotā, vēsā dienā Viskonsīnā 2008. gadā, dažas nedēļas pēc viņa raksta publicēšanas, kurā tika paziņots par iPS šūnām, kas iegūtas no cilvēka šūnām. Neatbilstošs vīrietis ikdienišķā džemperī un piekauts Dockers, viņš sēdēja nelielā birojā, ko rotāja tropu zivis, papardes un antīks šautriņu dēlis, un apsprieda savu sākotnējo cilvēka embrija cilmes šūnu atklājumu 1998. gadā. Viņa darbu komplekts Protesta vētra: pretinieki apgalvoja, ka cilvēka embrija iznīcināšana, lai novāktu tā cilmes šūnas, ir līdzvērtīga slepkavībai. Prezidents Džordžs Bušs 2001. gadā ierobežoja lielāko daļu federālā finansējuma embrionālo cilmes šūnu pētījumiem, un kritiķi turpināja lamāt Tomsonu, lai gan viņš cenšas saglabāt zemu profilu. Es par to daudz nerunāju, viņš teica. Es palieku pie zinātnes.

iPS šūnu izveide 2007. gadā šķita eleganta 1998. gada atklājuma grāmatzīme, jo tā piedāvāja jaunu veidu, kā ražot cilmes šūnas, kas spēj diferencēt jebkura tipa šūnas — tādu, kas patiesībā varētu būt labāks, jo šūnas būtu ģenētiski identiskas pacientu pašu. Tas bija atvieglojums, ka mums varētu būt risinājums šai politiskajai un ētiskajai situācijai, sacīja Tomsons. Izrāviens tomēr bija pārsteigums. Mēs zinājām, ka iPS process ir iespēja, viņš teica, bet, kad sākām to, es biju pārliecināts, ka tas prasīs vismaz 10 gadus. Tomsons un Viskonsinas pēcdoktors Junying Yu nolēma izveidot iPS šūnas, modificējot ādas šūnas ar regulatoriem gēniem, kas parasti atrodami tikai embrijos. Viņš teica, ka šī metode visus pārsteidza, darbojoties.

Thomson līdzdibināja CDI 2007. gadā, aptuveni tajā pašā laikā, kad vairāki citi cilmes šūnu gaismekļi iesaistījās iPS šūnu uzņēmumos. Tomēr šie potenciālie konkurenti galvenokārt ir vērsti uz terapeitisko līdzekļu izveidi. Viņi izmanto iPS šūnas, lai palīdzētu identificēt un izstrādāt zāļu kandidātus un izstrādāt procesus, kas kādu dienu varētu novest pie transplantācijas. Pagaidām CDI tirgū nav nopietnu konkurentu, kas pārdotu iPS radītās šūnas, lai tās izmantotu pētniecībā un zāļu skrīningā. Daļēji tas ir tāpēc, ka Tomsons un viņa zinātniskā komanda ir strādājuši ilgāk, lai pārvarētu tehnoloģijas industrializācijas grūtības. Lielos daudzumos funkcionējošu iPS šūnu izgatavošana ir grūta, saka Hārvardas Meisners.

Uzņēmums ir privāti turēts, taču tā izpilddirektors vietējam laikrakstam pastāstīja, ka CDI gūst vairāku miljonu ieņēmumus, pārdodot savas sirds šūnas aptuveni 40 klientiem, tostarp lielākajai daļai lielo farmācijas uzņēmumu. Nākamajā gadā uzņēmums plāno ieviest iPS radītās aknu, smadzeņu un asins šūnas.

Tas ir spēles mainītājs, saka cilmes šūnu bioloģe Sandra Engle, Pfizer vecākā zinātniece, kas ir izmantojusi CDI šūnas. Pirms CDI šīs šūnas bija ļoti grūti iegūt, un mēs saņēmām tikai nelielus daudzumus. Tas nedarbojas lielas caurlaidības narkotiku testēšanai. Kails Kolaja, Roche prognozējošās toksikoloģijas ekrānu un jauno tehnoloģiju globālais vadītājs, CDI šūnu priekšrocība ir tāda, ka tās darbojas kā īstas šūnas. Viņš saka, ka tiem jau ir liela ietekme uz zāļu drošību un attīstību. Viņi jau ir mainījuši to, ko mēs darām.

Cellular Clues
Lai gan uzņēmumi, piemēram, Roche un Pfizer, pašlaik izmanto iPS šūnas, lai vienkārši pārbaudītu iespējamos terapeitiskos līdzekļus attiecībā uz toksicitāti un citām īpašībām, kādu dienu atsevišķiem pacientiem varētu veikt uz iPS balstītus testus, lai noskaidrotu, vai viņiem ir īpašs blakusparādību risks. Stenfordas universitātes kardiologs Euans Ešlijs mēģina izmantot iPS šūnas, lai palīdzētu diagnosticēt un ārstēt 16 gadus vecu zēnu ar agrīniem dilatācijas kardiomiopātijas simptomiem, kas ir potenciāli letāla slimība, kurā sirds uzbriest un vājina. Šī ir smaga ģenētiska slimība, kas izplatās ģimenēs, kuras, mūsuprāt, var gūt labumu no iPS tehnoloģijām un genomikas, saka Ešlija. Viņš ir rūpīgi pārbaudījis zēna DNS, lai noteiktu ar šo slimību saistītos ģenētiskos marķierus, un pārbaudījis savu brāli un vecākus, lai noskaidrotu, vai viņiem ir arī šie marķieri. Stenfordas komanda plāno izveidot iPS šūnas, pārprogrammējot ādas šūnas, kas ņemtas no ģimenes, un pēc tam pamudinot tās diferencēties kardiomiocītos ar raksturīgām ģenētiskām variācijām. Pētot šo sirds šūnu bioķīmiju, zinātnieki cer iegūt norādes par to, kā viņi varētu reaģēt uz dažādiem zāļu kandidātiem.

Mēs izmantosim iPS šūnas, lai pārbaudītu atšķirības starp šo bērnu un citiem ar un bez šī stāvokļa, saka Ešlija, un lai pārbaudītu, kuras zāles vislabāk iedarbosies zēnam un citiem skartajiem ģimenes locekļiem. Ešlija saka, ka viens no mērķiem ir izstrādāt testus, lai noteiktu, kā ģenētiskās variācijas faktiski ietekmē šūnas. Viņš saka, ka ģenētisko faktoru nozīme tiks atspoguļota šajās šūnās.

Cietsirdīgs: Autora šūnu paraugi tiek glabāti paplātēs kriogēnos apstākļos.

Citi klīnicisti un laboratorijas arī izmanto iPS šūnas eksperimentos, kuru mērķis ir izgaismot slimību. Piemēram, Salk institūta pētnieki pēta no iPS iegūtos neironus no cilvēkiem ar šizofrēniju, lai noskaidrotu, kā tie atšķiras no parastajiem neironiem, un viņi pārbaudīs, kas notiek, kad šūnas tiek pakļautas antipsihotiskiem līdzekļiem. NIH grupa pēta iPS radītās šūnas no pacientiem ar letālu ģenētisku traucējumu, kas pazīstams kā C tipa Nīmaņa-Pika slimība. Citi pētnieki ir ierosinājuši izmantot iPS radītās šūnas, lai pārbaudītu toksisku ķīmisko vielu, piemēram, dzīvsudraba un pesticīdu, ietekmi.

Pētnieki saka, ka cerība ir izveidot iPS šūnu līniju bibliotēku no cilvēkiem, kuriem ir specifiski simptomi vai uzvedība, kas saistīta ar noteiktu slimību. Roche ir uzsācis programmu ar Masačūsetsas vispārējo slimnīcu Bostonā, lai izveidotu šūnu līnijas, kas atspoguļo dažāda veida sirds slimības; rezultāti varētu palīdzēt uzņēmumam izstrādāt zāles. Šovasar CDI un Viskonsinas Medicīnas koledža paziņoja par 6,3 miljonu ASV dolāru dotāciju no NIH, lai izveidotu iPS radītas sirds šūnas no 250 pacientiem, kuriem ir kreisā kambara hipertrofija - stāvoklis, kas izraisa augstu asinsspiedienu un palielina sirds un asinsvadu slimību risku.

Zinātniekiem joprojām ir tālu no iPS šūnu regulāras izmantošanas, lai diagnosticētu slimību vai piedāvātu individuālas prognozes. NIH Ostins brīdina, ka atsevišķas šūnas stāsta tikai daļu no stāsta par to, kas notiek dinamiskajā sistēmā, kas ir cilvēka ķermenis. Dažos gadījumos jums nav šūnas, kas varētu sniegt patiesu atbildi par tādu slimību kā depresija, viņš saka. Kādu šūnu veidu jūs tam izmantojat?

Mans Mambo
Es sāku savu iPS ceļojumu nelielā Quest Diagnostics klīnikā zaļā ielā Sanfrancisko. Aptinot man ap roku gumijas caurulīti, flebotomists iesprūda adatā, lai izņemtu vairākus flakonus ar asinīm, kas tiktu nosūtīti uz ledus uz Medisonu. Kad viņi nokļuva CDI, tehniķi uzlauza manas baltās asins šūnas un izmantoja bioinženierijas retrovīrusu, lai savā DNS ievadītu galvenos transkripcijas gēnus. Šie gēni pārprogrammēja šūnas tā, ka, kad tās atkārtojās, rezultāti bija pluripotentas šūnas, nevis vairāk balto asins šūnu. To pārveide par funkcionējošām iPS šūnām prasīja vairākus mēnešus ilgas pierunāšanas, attīrīšanas un pārbaudes, kas maksāja aptuveni 15 000 USD, ko uzņēmums samaksāja manā vārdā. Kad mana pluripotentā šūnu līnija sāka dungot, CDI zinātnieki pielāgoja dažas šūnas, lai tās atšķirtos trīs veidu sirds šūnās — kuras es pirmo reizi redzēju pulsējam video klipā, ko viņi man atsūtīja pa e-pastu.

Medisonā, gandrīz gadu pēc atteikšanās no asinīm, es biju nedaudz satraukts, skatoties uz savām pukstošām sirds šūnām. Es grasījos iegūt pārskatu par CDI veiktajiem eksperimentiem, lai parādītu, ko šie mazie bioinženierijas citoplazmas un kodolu kūlīši varētu teikt par manu veselību un manu jutīgumu pret dažādām zālēm.

Kriss Pārkers un uzņēmuma kardiomiocītu produktu menedžeris Bleiks Ansons uzņēmās vadību un vadīja mani, veicot vairākus novērtējumus, kas sākās ar testiem, lai pārliecinātos, ka šīs šūnas joprojām esat jūs, sacīja Pārkers. Viņi man parādīja 23 pāru hromosomu priekšmetstikliņu, kas ņemti no mana sākotnējā asins parauga, un salīdzināja to ar slaidu, kurā parādītas hromosomas, kas ņemtas no kardiomiocītiem. Viņi arī veica vienkāršu ģenētisku salīdzinājumu, izmantojot 16 DNS marķierus, tiesībaizsardzības iestāžu izmantoto testu, kas nodrošina ātru, salīdzinoši lētu veidu, kā novērtēt, vai divi paraugi sakrīt. Kad manas ražotās šūnas tika savāktas, zinātnieki pārgāja uz otro soli: noskaidroja, vai tās uzvedas kā īsti kardiomiocīti.

Vispirms viņi iedarbināja šūnas ar elektrību, lai pārbaudītu darbības potenciālu ilguma diapazonu - elektriskos impulsus, kas izraisa sirds kontrakcijas. Pēc tam viņi mērīja šūnu sitienus agregātā pret sava veida EKG viļņu formu, piemēram, tiem, kas slimnīcas monitorā parādās kā augšupvērsti un lejupvērsti impulsi. Manas šūnas šķita normālas.

Pluripotentais pionieris: Viskonsinas Universitātes biologs Džeimss Tomsons 2007. gadā līdzdibināja Cellular Dynamics International pēc tam, kad bija izstrādājis parasto cilvēka šūnu pārprogrammēšanas metodi, lai izveidotu inducētas pluripotentas cilmes šūnas, kas var radīt jebkura veida šūnas. Kopš tā laika Tomsons ir palīdzējis iPS šūnu izmantošanā zāļu izstrādē.

Trešajā testā šūnas tika salīdzinātas ar divām zālēm. Viens no tiem bija epinefrīns, kas izraisa cīņas vai bēgšanas reakciju un paātrina cilvēka pulsu. Mēs to varam redzēt šeit: sit, sit, sit, teica Pārkers, rādot man slaidu ar EKG līniju. Jūsu sirdsdarbība ievērojami paātrinās, un tas nozīmē, ka jums viss ir kārtībā — jūs varat aizbēgt no šī lāča. Pēc tam zinātnieki ievadīja simpātisku agonistu – zāles, kas palēnina sirdsdarbību. Tātad jūsu šūnas var atpūsties pēc bēgšanas no šī lāča, sacīja Pārkers. Kad es nosūtīju Einam Ešlijam savus testa rezultātus, viņš pārbaudīja manu pastāvīgo normālu stāvokli un apstiprināja, ka attiecīgās šūnas ir tādas, kādām tām bija jābūt. Šie testi pierāda, ka šūnas ir kardiomiocīti, viņš teica, kas šajā zinātnes agrīnajā stadijā ir svarīgi.

Dažas nedēļas vēlāk CDI veica vēl vienu eksperimentu kārtu, kurā manas šūnas pakļāva zālēm ar zināmām toksiskām blakusparādībām. Vispirms parādījās Hismanal, antihistamīns, un Propulsid, zāles kuņģa-zarnu trakta traucējumu ārstēšanai. Abas zāles tika izņemtas no tirgus daudzās valstīs, tostarp Amerikas Savienotajās Valstīs, jo tās bija saistītas ar retām, bet potenciāli dzīvībai bīstamām sirds aritmijām. Šī tieksme ir saistīta ar neparedzētu un nevēlamu blakusparādību, kas rodas, abām zālēm bloķējot un izjaucot konkrēta jonu kanāla normālu darbību sirdī, teikts ziņojumā, kas man nosūtīts no CDI. Abām zālēm bija līdzīga ietekme uz Deivida Dankana iPS radītajiem kardiomiocītiem: darbības potenciāla ilguma palielināšanās, kas ir atkarīga no devas... Ilgstoša darbības potenciāla ilgums ir atzīts sirds aritmijas izraisītājs, kas var izraisīt pēkšņu nāvi.

Otrajā farmaceitiskās pārbaudes kārtā zinātnieki pakļāva manas šūnas divām vēža zālēm: Gleevec, ko galvenokārt lieto dažu leikēmijas formu ārstēšanai, un Sutent, ko lietoja kuņģa, zarnu un barības vada audzēju ārstēšanai. Abām zālēm ir blakusparādības, kas ietver sirds bojājumus, lai gan tās joprojām tiek lietotas, jo to ārstētās slimības ir tik nopietnas. In vitro testi ar Deivida Dankana iPS iegūtajiem kardiomiocītiem parādīja, ka abām zālēm ir nelabvēlīga ietekme, teikts manā ziņojumā, un ka Gleevec izraisīto efektu, iespējams, izraisīja mitohondriju darbības traucējumi. Atkal, manu šūnu reakcijas nebija netipiskas, lai gan pētnieki man teica, ka, ja man būtu vēzis, turpmāka pārbaude varētu parādīt specifiskas atbildes, kas varētu palīdzēt ārstam izlemt, kuras zāles man ir vislabākās.

Ešlija man teica, ka iPS radītās sirds šūnas piedāvā lielu potenciālu, lai pārbaudītu vēža ārstēšanu. Viņš teica, ka ķīmijterapijas zāles patiešām ir smagas sirdij un sirds šūnām. Ja šī tehnoloģija var palīdzēt, tas būs ļoti svarīgi.

CDI man ir teicis, ka, attīstoties zinātnei, tā var veikt testus, pamatojoties uz plašo DNS sekvencēšanu, ko es veicu nesenai grāmatai. Eksperimentāls cilvēks . Mani īpaši interesētu tests, kas varētu noteikt, cik noraizējies par ģenētisku riska faktoru holesterīna līmeni pazeminošu statīnu blakusparādībām. Saskaņā ar manu ģenētisko profilu man ir ievērojams miopātijas — muskuļu vājuma — risks, ja lietoju noteiktas šo zāļu formas. Tomēr šis stāvoklis ir saistīts ar nepareizu enzīmu darbību, ko ražo aknas, nevis sirds, tāpēc noskaidrošana ir atkarīga no tā, vai CDI vēlas izveidot aknu šūnas no manas iPS līnijas.

Pirms pametu CDI laboratoriju, es vēlreiz paskatījos uz manām sirds šūnām, kas savā Petri trauciņā dauzījās savā veidā dīvainā mambā, un es prātoju, kad šādas atsevišķu šūnu bankas kļūs par ikdienišķu medicīniskās aprūpes sastāvdaļu. Pirms tas var notikt, joprojām ir daudz šķēršļu, tostarp augstās šūnu izgatavošanas izmaksas. Tomēr, neskatoties uz izdevumiem, saka Tomsons, būs cilvēki, kas vēlēsies to darīt — bagāti agrīnie lietotāji, kuri vēlas uzzināt par slimību vai zālēm. Vai arī daži cilvēki to var darīt, jo viņi uzskata, ka pukstošās sirds šūnas ir forši.

Kas attiecas uz mani, es joprojām esmu pārsteigts, ka trauciņā esošie kardiomiocīti ir daļa no manis, nemaz nerunājot par to, ka kādu dienu tos varētu izmantot kā triku dubultniekus manām īstajām šūnām.

Deivids Jūings Dankans ir Sanfrancisko rakstnieks. Viņa jaunākā grāmata ir Eksperimentāls cilvēks: ko viena cilvēka ķermenis atklāj par viņa nākotni, jūsu veselību un mūsu toksisko pasauli.

paslēpties