Vil vi en dag se organer bygget i en petriskål?

Menneskekroppen består af 220 forskellige celletyper med hver deres funktion, der gør det muligt for vores organer at udføre forskellige funktioner fra produktion af fordøjelsesenzymer og hormoner til skabelsen af følelser og tanker.

En stamcelle er en umoden celle, der både kan specialisere sig til én eller flere af kroppens celletyper og løbende kan producere kopier af sig selv gennem selvfornyelse.

Stamcellernes potentiale har skabt stadigt stigende forventninger til, hvad cellerne formår.

Stamcellerne er blevet kørt frem som et terapeutisk universalmiddel, anvendt i skønhedscremernes salgsmateriale, udråbt som en kilde til kunstigt, dyrefrit kød, og som noget, der risikerer at fremme farefuld medicinsk turisme.

Men hvad er stamceller egentlig, og hvad kan vi virkelig håbe på at opnå med dem?

Flere forskellige stamcelletyper

For at svare på disse spørgsmål har biologerne gransket, hvad cellerne gør i kroppen, og hvad det er, der gør dem unikke.

De har fundet måder at markere dem, rendyrke dem, kultivere dem i reagensglas og derefter følge med i, hvad de udvikler sig til.

Pluripotente stamceller er stamceller, der kan udvikle sig til en hvilken som helst af kroppens celler, og som bedst kan eksemplificeres med fosterstamceller (embryonale stamceller).

Man kan udvikle uendeligt mange af disse stamceller i en petriskål i et laboratorie, men visse stamceller forbliver i vores organer hele vores liv. For eksempel mangedobler knoglemarvens stamceller sig konstant for at forny de forskellige celler i blodet.

Også de dybtliggende hudlag indeholder stamceller, der erstatter de mange hudceller, som vi hver eneste dag skiller os af med, og som lægger sig overalt som husstøv.

Selvom stamceller har mange helt unikke egenskaber, kan man også udvinde pluripotente celler fra pratisk talt alle voksne celler gennem en reprogrammeringsproces - emnet for Nobelprisen i fysiologi og medicin 2012.

Hvordan læser stamcellerne egne instrukser?

Stamcellernes naturlige evne til at skabe og gendanne organer indikerer, at de kan bruges til at reparere vores svigtende og nedbrudte kropsdele.

Selvom stamcellerne kan danne datterceller, der kan specialisere sig, så de kan varetage forskellige funktioner (neuroner, muskler med videre), er de nødt til at vide, hvordan og hvornår de skal gøre det.

Og for at træffe denne beslutning er de nødt til at fortolke et signal fra deres omgivelser.

Forskerne har haft travlt med at identificere de signaler, der styrer hvert trin i denne specialiseringsproces.

Hver eneste celle i vores krop indeholder instruktioner, der gør dem i stand til at frembringe en identisk kopi af sig selv ved celledeling, men for at afværge problemer som eksempelvis kræft i voksne menneskekroppe, kan specialiserede celletyper ikke længere 'se' instruktionerne for, hvordan de udvikler celler, der er forskellig fra dem selv.

Danner ufuldkomne strukturer

Fosterstamceller har adgang til hele informationsmængden, mens specialiserede celler kun har adgang til en mere begrænset mængde instruktioner.

Hvordan får stamcellen adgang til disse informationer? Hvordan fortolker de dem, og hvordan sikrer de sig, at de aflæser de rigtige informationer i den rigtige rækkefølge?

Det er noget, de unikke pluripotente stamceller gør vilkårligt, hvis de bliver ladt alene. I så fald danner cellerne klynger af såkaldte embryoide legemer.

De embryoide legemer er imidlertid ufuldkomne strukturer, der mangler den rette organisering.

Kæmpe udfordring for forskerne

Forskerne har brugt mange år på at forstå, hvordan man kan styre de pluripotente stamceller til at danne specifikke terapeutiske celletyper eller til at organisere sig mindre vilkårligt til faktiske organer, der kan bruges til lægemiddelforskning og udvikling af moderne medicin.

En stor del af forskningsarbejdet lå i at forstå, hvordan cellerne diversificerer i løbet af fosterudviklingen og hvilke signaler, der får dem til at påbegynde det næste trin i processen.

Hvordan interagerer de forskellige celler? Hvordan giver de instrukser til hinanden? Det er spørgsmål, der har været en kæmpe udfordring for forskningen de seneste 20 år.

Stamceller til tredjegradsforbrændinger

I første omgang var forskerne bedre til at styre cellerne i voksenorganer. Man har eksempelvis brugt stamceller fra blodet i knoglemarven siden 1970'erne.

Stamcellerne kan suges ud fra knoglemarven hos en donor og efterfølgende transplanteres til den samme person eller en kompatibel patient, der har nok korresponderende gener.

Celler bliver så transplanteret til blodet, hvor de selv finder vej til knoglemarven. Når de har fundet 'hjem', mangedobler de sig og gendanner alle patientens blodceller.

Tilsvarende stamcelletransplationer er også blevet brugt til behandling af 3. gradsforbrændinger.

Et lille stykke hud, der indeholder stamceller, fjernes fra et sundt uskadt område.

Forskerne får cellerne til at forny sig i laboratoriet, hvor de udvikler adskillige lag af mere moden hud, som de efterfølgende kan påføre det beskadigede område.

Synstab stabiliseret med stamceller

Tidligere på året introducerede forskere i Europa lignede fremgangsmåder med corneale stamceller til behandlingen af skader på hornhinden.

Det er ikke alle organer, hvis stamceller vi har identificeret. Derfor er vi nogle gange nødt til at bruge de pluripotente stamceller til at danne disse celler.

Forskerne styrer cellerne gennem de forskellige trin, som de normalt ville gennemgå i løbet af deres fosterliv, før de udviklede sig til organer.

For at få de pluripotente celler til at følge de rigtige instruktioner på det rigtige tidspunkt og i den rigtige rækkefølge skal forskerne imitere de signaler, som cellerne normalt oplever i løbet af fosterudviklingen og dannelsen af organer.

Godkendt til menneskeforsøg

Nogle af de organceller, som er produceret i petriskåle, er af så høj kvalitet, at de er blevet godkendt til kliniske menneskeforsøg.

I sidste uge publicerede et forskerteam under ledelse af Masayo Takahashi i tidsskriftet New England Journal of Medicine et meget spændende eksempel på behandling af aldersbetinget makulær degeneration: En sygdom, der i dag er den mest almindelige årsag til fremadskridende synsnedsættelse.

Dette omhyggeligt udførte studie har muliggjort produktion af nethindens pigmentceller fra menneskelige pluripotente stamceller og stabiliseret sygdommen hos den første transplantat-patient.

Det står i skarp kontrast til en rapport i det samme tidsskrift, der beskriver synstab hos tre patienter med den samme øjensygdom, der modtog såkaldte 'adipøse stamceller' på en klinik i Florida associeret med en privatejet virksomhed kaldet US Stem Cell.

De spændende nyheder meldt ud fra både grundforskningen og omhyggelige kliniske studier sammenholdt med de farlige og vildledende løfter om en 'stamcelle-kur' indikerer, at der er et stort og afgørende behov for større bevidsthed blandt patienterne og yderligere regulering i takt med, at flere stamcelleteknologier bliver tilgængelige.

Adskillige kliniske forsøg er i gang med at finde behandlinger til Parkinsons sygdom, rygmarvsskade og hjertesvigt og flere andre nedbrydende sygdomme.

Næste revolution: Petriskålsorganer

Selvom stamcelletransplantationerne har været i rampelyset i mange år, finder endnu en revolution sted, der sandsynligvis vil have stor effekt på medicinsk lægemiddeludvikling.

Stamcellernes naturlige evne til at formere sig og generere organer kan ikke blot udnyttes til at danne celler til transplantationer, men også til at udvikle miniature-versioner af organer i petriskåle; såkaldte organoider.

Forskerne har udviklet dyrkningsbetingelser, der gør det muligt at pode stamceller i petriskåle i tredimensionelle kulturer, hvor de organiserer sig og specialiserer sig for at danne miniature-organer.

På samme måde som de embryoide legemer er ufuldkomne gengivelser, indeholder disse strukturer også mange af det fremtidige organs elementer, men de er ikke perfekte.

Selvom disse organ-gengivelser mangler funktioner som eksempelvis blodkar, er de i specifikke tilfælde blevet brugt til udviklingen af personlig medicin.

Den hollandske nonprofit-virksomhed Hubrecht Organoid Technology har for eksempel samarbejdet med forsikringselskaber i udviklingen af organoid-baserede analyser, der benytter en enkel rektal-biopsi til at teste effektiviteten af bekostelige lægemidler på patienter, der lider af forskellige genetiske former for cystisk fibrose.

Enormt potentiale

Stamcellernes bemærkelsesværdige evne til at organisere sig i strukturer, der ligner et embryo eller et organ, bliver ført stadig tættere på den 'ægte vare'.

Forståelsen af den måde, cellerne fortolker instruktioner på, når de får adgang til dem, og hvordan cellerne kommunikerer med hinanden, har ført til den opfattelse, at man faktisk kan få cellerne til at finde stamcelleprogrammerne og transformere sig om til stamceller og derved overtage fornyelsen af organerne og erstatte defekte celletyper.

Ved at give en hvilken som helst celle den rette information kan cellen derfor nu blive styret til at tage en ny stamcellerolle på sig og for eksempel overtage organfornyelse og genskabe defekte celletyper.

Mange ubesvarede spørgsmål

Men hvad udløser denne transformationsproces? Hvordan interagerer stamcellerne med hinanden og andre celler for at opnå balance? Hvordan opnår cellerne en ny balance, hvis deres instruerende genetiske materiale bliver forvrænget af kræft?

En forståelse af svarene på alle disse spørgsmål vil føre til nye behandlingsmetoder af degenerative sygdomme og kræft.

Mens stamceller synes at forstå noget af dette selv, idet de kan organisere sig i noget, der ligner rigtige organer, som allerede kan bruges til at teste medicinske stoffer, er organerne stadig små, ufuldkomment strukturerede og mangler væsentlige egenskaber såsom cirkulerende blod.

Transplantation bør ikke komme i betragtning, før den type funktioner er indarbejdede.

Oversat af Stephanie Lammers-Clark