De toekomst van stamceltherapie

Organen uit stamcellen?

Klinische praktijk
Robert G.J. Vries
Citeer dit artikel als
Ned Tijdschr Geneeskd. 2013;157:A7096
Abstract
Download PDF

Samenvatting

  • De afgelopen decennia zijn er enorme sprongen gemaakt met de ontwikkeling van vele nieuwe therapieën.

  • Voor veel ziekten geldt echter dat uiteindelijk de enige mogelijkheid is om een orgaantransplantatie uit te voeren.

  • Deze ingrijpende operaties zijn weliswaar zeer verbeterd, maar nog steeds zijn de risico’s bij deze ingrepen groot. Daarnaast is er een nijpend tekort aan organen.

  • Sinds de ontdekking van stamcellen is er grote interesse om deze cellen te gebruiken als therapie.

  • Er zijn methodes ontwikkeld om deze stamcellen op een veilige manier te vermenigvuldigen.

  • Op dit moment worden deze therapieën op een kleine schaal al toegepast bij patiënten. In de nabije toekomst zal deze vorm van therapie waarschijnlijk een grote ontwikkeling doormaken.

artikel

Veel behandelingen in de geneeskunde steunen op de veerkracht en het herstellend vermogen van het lichaam zelf. Bij ernstige schade aan een orgaan waarbij het zelfherstellend vermogen tekortschiet en medicijnen niet meer helpen, kan een orgaantransplantatie soms uitkomst bieden. Hoewel de techniek voor orgaantransplantatie en het voorkómen van afstoting sterk verbeterd is, is het nog steeds een ingreep met een hoog risico. Ook is de beschikbaarheid van organen een toenemend probleem.

Daarom is er sinds de ontdekking van stamcellen grote interesse geweest om die cellen te gebruiken als therapie. We zijn dan niet meer afhankelijk van het herstellend vermogen van het lichaam, maar hebben de bouwstenen van het herstel zelf in handen. Als we deze cellen kunnen controleren en manipuleren, zullen vele aandoeningen die nu onbehandelbaar zijn een oplossing hebben.

In dit artikel geef ik een overzicht van de verschillende stamcellen en bespreek ik de mogelijkheid deze cellen te gebruiken voor regeneratieve therapieën.

De ontdekking van stamcellen

Stamcellen werden al meer dan een eeuw geleden beschreven, maar het duurde tot de jaren 60 voordat er voor het eerst experimenteel bewijs kwam voor het bestaan van stamcellen in organen van volwassen mensen.1 In deze periode werd ook de eerste beenmergstamceltransplantatie uitgevoerd die voor het eerst liet zien dat stamcellen de orgaanfunctie kunnen herstellen door het aanmaken van nieuwe cellen na transplantatie.2-4 De toenmalige experimentele mogelijkheden lieten karakterisering en isolatie van stamcellen in andere organen niet toe. Daarom was onderzoek van de stamcellen moeilijk en waren de meeste praktische toepassingen van stamcellen onmogelijk.

Er kwam een doorbraak toen begin jaren 80 embryonale stamcellen van muizen voor het eerst buiten het embryo konden groeien; eind jaren 90 was dit ook mogelijk voor humane embryonale stamcellen.5,6 Deze ontdekking veranderde het biomedisch onderzoek fundamenteel, omdat genetisch gemodificeerde muizen gemaakt konden worden. Ook werd het mogelijk de eigenschappen van stamcellen te bestuderen en deze cellen te gebruiken voor regeneratieve toepassingen.

Toepassingen

Er zijn verschillende soorten stamcellen. Ik bespreek hier de embryonale, geïnduceerde pluripotente en volwassen stamcellen.

Embryonale stamcellen

Embryonale stamcellen (ESC’s) hebben een revolutie veroorzaakt in het denken over de mogelijkheden voor regeneratieve medicijnen. Zowel ethische als praktische bezwaren hebben echter de toepassing van deze cellen voor therapeutische doeleinden in de weg gestaan. Voor het gebruik van embryonale stamcellen zijn blastocysten van bevruchte eicellen nodig. Het gebruik van deze cellen stuitte op ethische bezwaren van voornamelijk religieuze groeperingen in de maatschappij. Vooral in de VS heeft dit het onderzoek naar het gebruik van deze cellen ernstig belemmerd.

Een praktisch probleem bij het gebruik van embryonale stamcellen is hun pluripotentie. Pluripotentie is het vermogen om alle mogelijke lichaamscellen te maken. Dat is natuurlijk een voordeel voor medische toepassingen maar tegelijkertijd ook een groot veiligheidsrisico. De ESC’s kunnen namelijk niet alleen de gewenste cel vormen, bijvoorbeeld een neuron, maar ook alle andere van de ruim 200 celtypen in het lichaam. Bij het therapeutisch gebruik moet dus de juiste differentiatie naar het gewenste celtype en de controle over de groei van de ESC strak worden gecontroleerd om de vorming van tumoren (teratomen) te voorkomen.

Ondanks deze technische en maatschappelijke obstakels zijn er inmiddels succesvolle toepassingen. Geron was het eerste bedrijf dat in 2009 toestemming kreeg voor een klinische trial voor het gebruik van ESC’s bij de behandeling van schade aan de ruggenmergzenuwen. Daarnaast is er een redelijk succesvol experiment gedaan bij patiënten met seniele maculadegeneratie. In de retina ingespoten ESC’s vertoonden niet-afwijkend gedrag bij de 3 behandelde patiënten, en 2 patiënten hadden een verbetering van het gezichtsvermogen.7 In 2013 lopen er enkele tientallen klinische trials met stamcellen.

Geïnduceerde pluripotente stamcellen

In 2006 publiceerde het laboratorium van dr. Yamanaka, de Nobelprijswinnaar van 2012, een prachtige techniek die het mogelijk maakt om gewone, gedifferentieerde lichaamscellen de eigenschappen van pluripotente cellen terug te geven.8 Door de activiteit van 4 eiwitten lukte het om het genetische programma te reactiveren, eerst in muizen en later in menselijke fibroblasten; daardoor kregen de cellen weer de eigenschappen van een embryonale stamcel.8

Deze techniek heeft 2 grote voordelen. Ten eerste zijn de ethische bezwaren minder groot, omdat bij het maken van deze geïnduceerde pluripotente stamcellen (‘induced pluripotent stem cells’, iPSC’s) gebruik wordt gemaakt van cellen uit een volwassen mens. Ten tweede kunnen immunologische reacties op vreemde getransplanteerde cellen worden voorkomen, omdat ze immers worden geproduceerd uit lichaamscellen van de patiënt zelf.

Een groot obstakel voor de therapeutische toepassing van iPSC’s is echter de genetische instabiliteit door de herprogrammering. Om de iPSC’s te maken worden 4 factoren tot expressie gebracht. De genen die coderen voor deze 4 factoren worden geïntegreerd in het DNA van de ontvangende cellen. Belangrijk is dat integratie van DNA-fragmenten in het DNA van de cel een groot risico voor oncogene transformatie met zich meebrengt. De verstoring van de genetische informatie door de integratie kan namelijk een oncogene verandering teweegbrengen. Dit maakt deze methode bij voorbaat ongeschikt voor therapeutische toepassingen. De vele onderzoeksgroepen die studies hebben gedaan naar iPSC’s, hebben dit probleem echter grotendeels opgelost door directe toediening van de 4 eiwitten zelf of het mRNA ervan.

Volwassen stamcellen

In de afgelopen 10 jaar is het onderzoek naar en de toepassing van volwassen stamcellen sterk toegenomen. Als een van de eerste therapieën zijn mesenchymale stamcellen gebruikt voor uiteenlopende toepassingen, zoals vernieuwing van kraakbeen maar ook voor hartregeneratie.9,10 De resultaten van deze klinische studies laten verschillende resultaten zien. Ondanks veelbelovende resultaten bij initiële studies is er grote twijfel over de bijdrage van de mesenchymale stamcellen aan het vernieuwde weefsel. Bij hartgeneratie bijvoorbeeld lijken de mesenchymale stamcellen wel een klein positief effect te hebben, maar lijken ze niet te integreren in het weefsel.

Een andere succesvolle toepassing van volwassen stamcellen is bij de regeneratie van de cornea. Zogenaamde limbale stamcellen, die in de buitenste deel van de cornea leven, zijn gebruikt voor directe transplantatie, maar ook na in-vitro-expansie van de cellen.11Tientallen patiënten met verschillende soorten van blindheid, zoals door chemische schade aan de cornea, hebben een succesvolle stamceltransplantatie ondergaan en hun gezichtsvermogen teruggekregen.

In 2008 vond in Barcelona de eerste transplantatie plaats van een geheel orgaan dat was opgebouwd uit stamcellen. Een patiënt bij wie de trachea was ingeklapt door tuberculose was uitbehandeld met reguliere therapieën. De onderzoekers gebruikte een donortrachea en verwijderden de cellen. Hierdoor bleef alleen het skelet van extracellulaire eiwitten over. Stamcellen uit het beenmerg van de patiënt werden op dit donortracheaskelet uitgezaaid. Na 4 dagen te zijn gekweekt in het laboratorium werd de ‘nieuwe trachea’ met succes teruggeplaatst bij de patiënt.12 Inmiddels zijn meerdere patiënten op dezelfde wijze geholpen.

Nieuwe organen?

Een van de belangrijkste obstakels in het stamcelonderzoek van de afgelopen decennia was het ontbreken van unieke moleculaire kenmerken van de stamcellen. Weliswaar was het duidelijk dat stamcellen aanwezig zijn in organen, maar hun identiteit bleef onbekend. Door de ontdekking van de moleculaire stamcelmarker ‘leucine-rich repeat-containing G-protein coupled receptor 5’ (LGR5) op stamcellen van onder andere de darm, de lever en de alvleesklier in het Hubrecht Instituut in Utrecht, werd het voor het eerst mogelijk stamcellen specifiek te bestuderen.13-15 Daardoor konden we niet alleen vele tot dan toe onbekende eigenschappen van stamcellen ophelderen, maar kon ons laboratorium ook een methode ontwikkelen om de stamcellen buiten het lichaam te vermenigvuldigen (figuur 1).16

Figuur 1

Het laten groeien van epitheliale stamcellen van organen als de lever en darm biedt de mogelijkheid om in de toekomst deze cellen te gebruiken voor regeneratieve therapieën. Er zijn 3 voorwaarden waaraan de cellen moeten voldoen om een succesvolle therapie te kunnen worden.

Grote delingscapaciteit Het is belangrijk dat de cellen een grote delingscapaciteit hebben. Vóór de ontdekking van de LGR5-stamcel was de gedachte dat cellen, inclusief stamcellen, een maximaal aantal delingen kunnen ondergaan. De kweekmethode voor de LGR5-stamcellen bewees dat de stamcellen onder de juiste groeicondities veel meer delingen kunnen ondergaan. Dit schept de mogelijkheid om met een geringe hoeveelheid donoren een grote hoeveelheid cellen te maken en daarmee een alternatief te vormen voor orgaantransplantaties (figuur 2 en filmpje).

Figuur 2

Genetisch stabiel Daarnaast is het van groot belang dat de cellen genetisch stabiel zijn. Zoals gezegd vermindert de stabiliteit van iPSC’s door de transformatie van een somatische cel naar een iPSC. Ook voor volwassen stamcellen geldt dat het belangrijk is dat er geen oncogene mutaties ontstaan tijdens de expansieperiode. De experimenten wijzen erop dat de kweekmethode ook na langdurige vermeerdering genetisch stabiele cellen blijft genereren.15,17

Efficiënte transplantatie Er is een efficiënte transplantatie en innesteling in het zieke orgaan nodig. In het verleden is ervaring opgedaan met het transplanteren van donorhepatocyten. Bij deze transplantaties kon – in elk geval op de korte termijn – een efficiënte innesteling van deze cellen worden gerealiseerd.18 Experimenten met de in vitro geëxpandeerde stamcellen van de muizenlever en -darm hebben laten zien dat het mogelijk is om de gekweekte cellen te gebruiken voor een stabiele en functionele innesteling van stamcellen na transplantaties.

Conclusie

Er zijn de afgelopen 10 jaar enorme stappen vooruit gemaakt om een geheel nieuwe vorm van behandeling mogelijk te maken. Stamceltransplantaties kunnen een groot gat opvullen in de medische mogelijkheden van het moment door de regeneratieve capaciteit van het lichaam in handen van de arts te geven. Daarmee zullen we in staat zijn organen te herstellen in plaats van alleen de symptomen van de schade te bestrijden.

Leerpunten

  • Sinds de ontdekking van stamcellen is er grote interesse om deze cellen te gebruiken voor regeneratieve therapieën.

  • Er zijn grofweg 3 soorten stamcellen: embryonale, geïnduceerde pluripotente en volwassen stamcellen.

  • Door de identificatie van moleculaire markers van stamcellen is gericht onderzoek naar stamcellen mogelijk.

  • Voor een succesvolle therapie moeten cellen een grote delingscapaciteit hebben, genetisch stabiel zijn en efficiënt getransplanteerd kunnen worden.

  • Verder onderzoek zal leiden tot steeds meer klinische toepassingen van stamcellen.

Literatuur
  1. Altman J, Das GD. Post-natal origin of microneurones in the rat brain. Nature. 1965;207:953-6 Medline. doi:10.1038/207953a0

  2. Thomas ED, Lochte HL, Lu WC, et al. Intravenous infusion of bone marrow in patients receiving radiation and chemotherapy. N Engl J Med. 1957;257:491-6.

  3. Storb R, Kolb HJ, Graham TC, Erickson V, Thomas ED. Marrow grafts between DL-A-matched canine littermates. Transplantation. 1973;15:129-36 Medline. doi:10.1097/00007890-197301000-00020

  4. Mathe G, Thomas ED, Ferrebee JW. The restoration of marrow function after lethal irradiation in man: a review. Transplant Bull. 1959;6:407-409 Medline. doi:10.1097/00006534-195910000-00034

  5. Evans MJ, Kaufman MH. Establishment in culture of pluripotential cells from mouse embryos. Nature. 1981;292:154-6 Medline. doi:10.1038/292154a0

  6. Thomson JA, Itskovitz-Eldor J, Shapiro SS, et al. Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts. Science. 1998;282:1145-7 Medline. doi:10.1126/science.282.5391.1145

  7. Schwartz SD, Hubschman JP, Heilwell G, et al. Embryonic stem cell trials for macular degeneration: a preliminary report. Lancet. 2012;379:713-20 Medline. doi:10.1016/S0140-6736(12)60028-2

  8. Takahashi K, Tanabe K, Ohnuki M, et al. Induction of pluripotent stem cells from adult human fibroblasts by defined factors. Cell. 2007;131:861-72 Medline. doi:10.1016/j.cell.2007.11.019

  9. Wakitani S, Nawata M, Tensho K, Okabe T, MacHida H, Ohgushi H. Repair of articular cartilage defects in the patello-femoral joint with autologous bone marrow mesenchymal cell transplantation: three case reports involving nine defects in five knees. J Tissue Eng Regen Med. 2007;1:74-9 Medline. doi:10.1002/term.8

  10. Elnakish MT, Hassan F, Duaa Dakhlallah D, Marsh CB, Alhaider IA, Khan M. Mesenchymal stem cells for cardiac regeneration: translation to bedside reality. Stem Cells Int. 2012;2012:646038 Medline. doi:10.1155/2012/646038

  11. Rama P, Matuska S, Paganoni G, Spinelli A, De Luca M, Pellegrini G. Limbal stem-cell therapy and long-term corneal regeneration. N Engl J Med. 2010;363:147-55 Medline. doi:10.1056/NEJMoa0905955

  12. Macchiarini P, Jungebluth P, Go T, et al. Clinical transplantation of a tissue-engineered airway. Lancet. 2008;372:2023-30 Medline. doi:10.1016/S0140-6736(08)61598-6

  13. Barker N, van Es JH, Kuipers J, et al. Identification of stem cells in small intestine and colon by marker gene Lgr5. Nature. 2007;449:1003-7 Medline. doi:10.1038/nature06196

  14. Huch M, Bonfanti P, Boj SF, et al. Unlimited in vitro expansion of adult bi-potent pancreas progenitors through the Lgr5/R-spondin axis. EMBO J. 2013;32:2708-21 Medline. doi:10.1038/emboj.2013.204

  15. Huch M, Dorrell C, Boj SF, et al. In vitro expansion of single Lgr5+ liver stem cells induced by Wnt-driven regeneration. Nature. 2013;494:247-50 Medline. doi:10.1038/nature11826

  16. Sato T, Vries RG, Snippert HJ, et al. Single Lgr5 stem cells build crypt-villus structures in vitro without a mesenchymal niche. Nature. 2009;459:262-5 Medline. doi:10.1038/nature07935

  17. Yui S, Nakamura T, Sato T, et al. Functional engraftment of colon epithelium expanded in vitro from a single adult Lgr5⁺ stem cell. Nat Med. 2012;18:618-23 Medline. doi:10.1038/nm.2695

  18. Fisher RA, Strom SC. Human hepatocyte transplantation: worldwide results. Transplantation. 2006;82:441-9 Medline. doi:10.1097/01.tp.0000231689.44266.ac

Auteursinformatie

Hubrecht Institute, afd. Developmental Biology and Stem Cell Research, Utrecht.

Contact Dr. R.G.J. Vries, bioloog (r.vries@hubrecht.eu)

Verantwoording

Belangenconflict en financiële ondersteuning voor dit artikel: de auteur ontving onderzoeksubsidies van de EU en NWO. Hij is de algemeen directeur van de stichting Hubrecht Organoid Technology, die tot doel heeft de organoïdstamcellen te gebruiken voor klinische doeleinden.
Aanvaard op 18 november 2013

Auteur Belangenverstrengeling
Robert G.J. Vries ICMJE-formulier

Gerelateerde artikelen

Reacties