• Stamceller og helbredelse af diabetes

     

    Novo Nordisk A/S og Biotech Academy byder dig velkommen til dette projekt om stamceller og helbredelse af sukkersyge. Når du har læst projektet vil du kende til forskellige typer stamceller og vide hvordan et befrugtet æg bliver til et helt menneske. Du vil vide mere om diabetes, hvordan gensplejsede selvlysende mus hjælper forskerne og meget mere. Til sidst skal du selv lave stamceller om til forskellige celler i det virtuelle laboratorium.

    En beskrivelse af projektets kernestof, anbefalet undervisningsforløb mm. henvendt til lærere findes her

     

    Virtuelt stamcellelaboratorium

    Efter materialet er læst, er det tid til opgaver i det virtuelle laboratorium. Der kan downloades en række opgaver og forsøgsresultater, der fører til opdagelsen af hvilke signalstoffer der skal tilsættes til en stamcellekultur, for at udvikle den til forskellige celler.

    Det virtuelle laboratorium kan findes under “Opgaver og virtuelt laboratorium” i menuen til venstre. Det virtuelle laboratorium og alle figurene er lavet af grafikeren William Reynish (william@reynish.com).

    En stor tak til Ole D. Madsen for undervisning, vejledning og kommentering gennem hele processen. Tak til Uffe Mortensen, Lise Holst, Mattias Hansson, Mikkel Morsing, Lars Rønn Olsen, Sille Larsen og Erik Both for værdifulde kommentarer og rettelser til materialet.

  • Teori

    Projektet består af en introduktion og seks artikler. Artiklerne findes i menuen til venstre og en oversigt fremgår nedenfor.

    • Introduktion
    • Blodsukkerregulering og diabetes
    • Stamcelleterapi og udviklingsbiologi
    • Differentiering af stamceller
    • Immunforsvar, kloning og kunstige stamceller
    • Perspektiver for stamcellebehandling med diabetes som case
    • Etiske problemstillinger omkring stamceller

    Rigtig god fornøjelse med projektets teoretiske del!

    Lige siden opdagelsen af stamceller har der været fokus på deres potentiale til at helbrede en lang række sygdomme. Stamceller fra det helt tidlige fosteranlæg kan blive til alle kroppens celler, og det er derfor målet at bruge dem til at erstatte syge eller døde celler, som forårsager mange af de sygdomme, vi har i dag. Der forskes meget i at udvikle stamcelleterapi til behandling af bl.a. kræft, AIDS, Parkinson og diabetes (sukkersyge), der er nogle af de hyppigste sygdomme på verdensplan. Et gennembrud inden for stamcelleforskningen vil derfor have en enorm effekt på den globale sundhed. I dette projekt præsenteres den nyeste forskning inden for stamceller, og der gives et indblik i Novo Nordisks forskning vedrørende brug af stamceller til at helbrede diabetes.

    Stamceller kan udvikles til alle kroppens celler

    En stamcelle er en celle, der kan differentiere sig (dele sig og udvikle sig) til mange forskellige celletyper. Det befrugtede æg og de fleste celler i det tidlige fosteranlæg er stamceller, da de kan udvikle sig til alle cellerne i et færdigt menneske. Såkaldte embryonale stamceller udtages fra det indre af det meget tidlige fosteranlæg, der kun består af ca. 100 celler.

    Figur 1. Genteknologi. En virus (venstre) bruges i forskningen til at gensplejse befrugtede museæg. Det er muligt at få udvalgte celler i musen til at lyse grønt ved at gensplejse DNA med genet fra en bestemt vandmand, der koder for produktion af grønt protein ind i musefosteret (gensplejset musefoster vist til højre). I artiklen Stamcelleterapi og udviklingsbiologi beskrives, hvordan teknikken bruges i forskningen. Der findes mange forskellige farver selvlysende proteiner, og de kan alle gensplejses ind i en mus, så musen lyser, når bestemte gener udtrykkes. Musen vil nu udtrykke flere forskellige farver i cellerne gennem udviklingen af fosteret. Således opnås en øget forståelse af hvad der sker i fosterudviklingen på bestemte tidspunkter.

    Disse stamceller kan dyrkes i laboratoriet, og har muligheden for at blive til en hvilken som helst kropscelle. Det er teoretisk muligt at få stamcellekulturen til at vokse og dele sig uendeligt i laboratoriet. Ved tilsætning af bestemte signalproteiner vil stamcellerne differentiere sig til nye celletyper, alt afhængig af hvilket stof der tilsættes. I stamcelleterapi bruges celler dannet fra en stamcellekultur til at erstatte syge eller døde celler i en patient. Mange sygdomme skyldes celledød blandt bestemte celler. Hjerneceller er således døde ved Parkinsons og Alzheimers sygdom, mens insulinproducerende betaceller for det meste er døde ved diabetes. Ved hjælp af stamcelleterapi håber forskerne på at kunne helbrede disse, og mange andre sygdomme.

    Det er imidlertid ikke så nemt at finde ud af, hvilke signalproteiner der skal tilsættes stamcellerne for at differentiere dem til de ønskede celler. For at finde stofferne, bliver der forsket intensivt i udviklingsbiologi, der primært beskæftiger sig med spørgsmålet: Hvordan kan en enkelt celle udvikle sig til en så kompleks organisme som et menneske? I artiklen Stamcelleterapi og udviklingsbiologi, beskrives forskernes svar på dette spørgsmål. En vigtig del af fosterudviklingen består i, at forskellige celler signalerer til hinanden vha. signalproteiner. Mange forskere prøver at finde disse signalproteiner, så de kan tilsættes stamceller i laboratoriet. På den måde forsøger forskerne at overføre de udviklingsprocesser, der sker i et levende foster, til en skål i laboratoriet. I artiklen Differentiering af stamceller beskrives, hvordan forskerne prøver at omdanne stamceller til funktionelle, differentierede celler, der kan erstatte døde celler i syge mennesker.

    Efter læsning af materialet, skal du selv prøve at differentiere stamceller i det virtuelle laboratorium. Ved hjælp af cases og forsøgsresultater skal du finde ud af, hvilke signalproteiner der kan lave stamceller om til bestemte celletyper. I det virtuelle laboratorium afprøver du, om dine teorier er rigtige.  I en rapport beskriver du metoden, resultaterne, samt alle de overvejelser og tolkninger af forsøgsresultaterne, som du har gjort.

    Figur 2. Stamcelleterapi. Embryonale stamceller udtages fra et tidligt fosterstadie (blastocyst) bestående af ca. 100 celler. Stamcellerne dyrkes i laboratoriet og kan ved tilsætning af de rigtige stoffer blive til alle de celler, der findes i kroppen.

    I artiklen Immunforsvaret, kloning og kunstige stamceller gennemgås hvordan immunforsvaret forsøger at afstøde de transplanterede celler, og hvordan forskerne forsøger at løse dette problem. Ved alle transplantationer gives stoffer, der svækker immunforsvaret, for at de transplanterede celler/organer ikke afstødes. Der er mange bivirkninger ved disse stoffer. Blandt andet vil de transplanterede celler/organer alligevel blive afstødt over en lang årrække.

    Derfor arbejder forskerne på at differentiere stamceller til immunforsvarsceller, der kan give patienten et nyt immunforsvar, der ikke afstøder de transplanterede celler. Det gennemgås også, hvordan forskerne prøver at lave patientspecifikke stamceller vha. kloning af en patients celler og kunstige stamceller lavet fra patientens hudceller.

    Figur 3. Det virtuelle laboratorium. I det virtuelle laboratorium, kan du tilsætte forskellige kemikalier til stamceller, der herved udvikler sig i en bestemt retning. Ved hjælp af helt nye forskningsresultater, skal du lave en fuldt funktionel betacelle, der kan helbrede diabetes.

    CASE: Helbredelse af diabetes.

    Her på Jorden dør et menneske af diabetes hvert 10. sekund. Diabetes er karakteriseret ved, at mange af de insulinproducerende betaceller som regulerer blodsukkeret er døde. Det er lykkedes forskerne at erstatte de døde celler med betaceller fra hjernedøde donorer, og det har i nogle tilfælde ført til, at patienten er blevet helbredt for diabetes i en længere periode. Desværre er der langt fra nok donorer til at helbrede blot en brøkdel af dem, der har en så alvorlig form for diabetes, at de vil have glæde af en transplantation, da sygdommen ellers er vanskellige at behandle. Vha. stamcelleforskning prøver forskerne at lave uendelige mængder af betaceller til transplantationer og samtidig sørge for, at behandlingen virker hele livet.

    Hvis det med stamceller bliver muligt at skabe en behandling, der helt kan helbrede diabetes vil det betyde utrolig meget for de ca. 250 millioner mennesker, der har diabetes. Patienterne vil både kunne undgå daglige insulinindsprøjtninger og de alvorlige og invaliderende komplikationer der ofte opstår efter mange år: Blindhed, nyresvigt, sår der ikke heler, koldbrand samt blodpropper i hjerne og hjerte.

    Figur 4. Immunsystemet og celleterapi. Immunsystemet spiller en stor rolle ved alle transplantationer – både af organer og celler. Her ses en immunforsvarscelle, der scanner en fremmed celle og sørger for, at den bliver afstødt, hvis den har en forkert ”stregkode”. For at løse problemet prøver forskerne bl.a. at bruge stamceller til at give patienten et nyt immunforsvar, der ikke afstøder de transplanterede celler.

    Etiske dillemaer omkring stamceller

    En ekstra dimension i stamcelleforskningen er de etiske dilemmaer. En stamcelle kommer fra et befrugtet æg, der potentielt kunne være blevet til et barn. Derfor mener mange, at stamcelleforskningen bør stoppes. På den anden side kan forskningen måske lede til behandlinger, der kan helbrede millioner af mennesker. I artiklen Etiske problemstillinger omkring stamceller beskrives de etiske aspekter, samt hvad lovgivningen i forskellige lande tillader.

    Det er lykkedes forskere at lave hudceller om til stamceller ved at inficere dem med en kunstig virus. Flere forskere håber på, at disse celler kan bruges i stedet for embryonale stamceller, hvorved de etiske problemer kan undgås. Dog opstår der en del nye etiske dilemmaer: blandt andet risiko for at disse celler udvikler sig til kræft og at cellerne potentielt kan bruges til at lave en slags klon af den person, de kommer fra. Det Etiske Råd understreger løbende, at det er vigtigt, at der bliver taget stilling til disse etiske spørgsmål nu. Stamcellebehandling er, på godt og ondt, ikke science fiction, men højst sandsynligt en realitet inden for en overskuelig fremtid.

    Diabetes, der også kaldes sukkersyge, opstår når blodsukkeret ikke reguleres rigtigt. Diabetespatienter danner for lidt af hormonet insulin, der regulerer blodsukkeret. De bliver derfor behandlet med flere insulinindsprøjtninger dagligt. I denne artikel beskrives, hvordan blodsukkeret reguleres i normale mennesker, og hvad der er anderledes, når man har diabetes.

    Fakta om diabetes

    • Det skønnes, at ca. 250 millioner mennesker har diabetes, hvilket svarer til mere end 5 % af verdens befolkning. I år 2025 forventes tallet at være steget til 380 millioner.
    • Hvert år dræber diabetesrelaterede sygdomme 3,8 millioner mennesker, hvilket svarer til en person hvert 10. sekund – ligeså mange som HIV/AIDS dræber.
    • I 2007 blev der brugt ca. 1200 milliarder kroner på at behandle sukkersyge i verden.

    (Diabetes Facts Backgrounder, Novo Nordisk 2007)

    Forskningen i nye behandlinger af diabetes er meget højt prioriteret, og der er ingen tvivl om, at bedre behandlinger vil betyde utrolig meget for menneskets sundhed i fremtiden.

    Regulering af blodsukkeret i raske mennesker

    Alle de kulhydrater, som menneskets fordøjelsessystem kan nedbryde, omdannes til monosakkarider som glukose og fruktose. Disse stoffer optages gennem tarmvæggen til blodet og ledes via blodbanen til leveren, hvor de omdannes til glykogen. Glycogen kan igen omdannes til glukose ved behov og udskilles i blodet. Et højt blodsukker betyder at koncentrationen af glukose i blodet er høj.

    Glukose er den primære energikilde i alle kroppens celler, og derfor er det utrolig vigtigt, at der er tilstrækkeligt glukose i blodet. Hvis glukosekoncentrationen falder til under 2 mmol/L, mister man bevidstheden, fordi hjernecellerne ikke får nok energi. Hvis glukosekoncentrationen er for høj, opstår der også problemer, fordi glukose er det, man kalder osmotisk aktiv. Det betyder, at en høj glukosekoncentration uden for cellerne (i blodet) vil suge vand ud af cellerne, hvor koncentrationen af glukose er lavere. Det er farligt for cellerne, der kan skrumpe og blive løse, og i det hele taget fungerer dårligere ved længere tids påvirkning.

    Det er altså utrolig vigtigt at holde blodsukkerkoncentrationen på et konstant niveau, nærmere bestemt ca. 4 mmol/L. Det er her insulin kommer ind i billedet, idet det kan regulere blodsukkerkoncentration til det rette niveau.

     

    Insulins virkningsmekanisme

    Insulinmolekyler i blodet kan binde sig til insulinreceptorer på overfladen af forskellige celler. Når insulin binder sig til receptorer på muskelceller og leverceller signaleres, at cellerne skal optage glukose og oplagre det, så koncentrationen af glukose i blodet falder. På den måde hjælper insulin til at undgå, at glukosekoncentrationen bliver for høj. Hormonet glukagon har den modsatte effekt af insulin. Glukagon signalerer til muskel- og levercellerne, at de skal udskille noget af deres oplagrede glukose til blodet, hvorefter blodsukkeret stiger.

     

    Regulering af blodsukkeret i raske mennesker

    Alle de kulhydrater, som menneskets fordøjelsessystem kan nedbryde, omdannes til monosakkarider som glukose og fruktose. Disse stoffer optages gennem tarmvæggen til blodet og ledes via blodbanen til leveren, hvor de omdannes til glykogen.

    Figur 1. Blodårer og blodcellers påvirkning af glukosekoncentration. Glukose er osmotisk aktiv, hvilket betyder, at vand vil bevæge sig mod høje koncentrationer af glukose. På figuren er vist, hvordan en høj sukkerkoncentration uden for cellerne trækker vand ud, mens en lavere sukkerkoncentration uden for end inden i cellen, trækker vand ind i cellerne. Diabetespatienter har for højt blodsukker, og vandet vil derfor suges ud af cellerne, og medføre at de fungerer dårligere.

    Glycogen kan igen omdannes til glukose ved behov og udskilles i blodet. Et højt blodsukker betyder at koncentrationen af glukose i blodet er høj.

    Glukose er den primære energikilde i alle kroppens celler, og derfor er det utrolig vigtigt, at der er tilstrækkeligt glukose i blodet. Hvis glukosekoncentrationen falder til under 2 mmol/L, mister man bevidstheden, fordi hjernecellerne ikke får nok energi. Hvis glukosekoncentrationen er for høj, opstår der også problemer, fordi glukose er det, man kalder osmotisk aktiv. Det betyder, at en høj glukosekoncentration uden for cellerne (i blodet) vil suge vand ud af cellerne, hvor koncentrationen af glukose er lavere. Det er farligt for cellerne, der kan skrumpe og blive løse, og i det hele taget fungerer dårligere ved længere tids påvirkning.

    Det er altså utrolig vigtigt at holde blodsukkerkoncentrationen på et konstant niveau, nærmere bestemt ca. 4 mmol/L. Det er her insulin kommer ind i billedet, idet det kan regulere blodsukkerkoncentration til det rette niveau.

     

    Insulins virkningsmekanisme

    Insulinmolekyler i blodet kan binde sig til insulinreceptorer på overfladen af forskellige celler. Når insulin binder sig til receptorer på muskelceller og leverceller signaleres, at cellerne skal optage glukose og oplagre det, så koncentrationen af glukose i blodet falder. På den måde hjælper insulin til at undgå, at glukosekoncentrationen bliver for høj. Hormonet glukagon har den modsatte effekt af insulin. Glukagon signalerer til muskel- og levercellerne, at de skal udskille noget af deres oplagrede glukose til blodet, hvorefter blodsukkeret stiger.

    Figur 2. Betacellers virkningsmekanisme. Beta-cellerne udskiller insulin til blodet, når glukosekoncentrationen er høj. Insulinen føres af sted i blodbanen, og binder sig til receptorer på muskel- og leverceller, hvilket får disse celler til at optage og lagre glukose.

    Produktion af insulin i bugspytkirtlen

    I bugspytkirtlen, der sidder lige under mavesækken, findes forskellige hormon- og enzymproducerende celler. I de exokrine celler dannes fordøjelsesenzymer, der udskilles direkte i tolvfingertarmen. I de endokrine celler dannes hormoner, der udskilles direkte i blodbanen. Insulin er et hormon, som produceres i såkaldte beta-celler, der sidder i små klumper, kaldt Langerhanske øer. Beta-cellerne frigiver kun insulin, hvis glukosekoncentrationen er for høj, og insulinen signalerer til lever- og muskelceller at de skal optage glukose, hvorved glukosekoncentrationen i blodet sænkes. I bugspytkirtlens alfa-celler udskilles glukagon, når glukosekoncentrationen bliver for lav.

    På den måde styrer insulin og glukagon, at glukosekoncentrationen i blodet holdes konstant, så alle celler kan fungere normalt. Den præcise balance mellem insulin og glukagon, kaldes homeostase. Det er vigtigt at understrege, at dette glukose-insulin-system er utrolig præcist. Det kan mærke og korrigere selv meget små udsving i glukosekoncentrationen.

    Figur 3. Bugspytkirtlen sidder lige under mavesækken, og udskiller fordøjelsesenzymer og hormoner, bl.a. insulin.

    Insulin produceres som de fleste andre proteiner: genet for insulin på DNA-strengen transkripteres til messenger-RNA (mRNA), der transporteres ud af cellekernen. mRNA-strengen translateres herefter til et proinsulin-protein af ribosomet. Proinsulinet lagres i vesikler (små beholdere), hvor det omdannes til insulin og C-peptid. Insulinmolekylerne er herefter klar til at blive frigivet, når blodsukkeret er for højt.

     

    Diabetes – når blodsukkeret ikke reguleres normalt

    En person har diabetes, når glukosen i blodet ikke reguleres normalt og koncentrationen bliver for høj. Det skyldes, at der dannes for lidt insulin, eller kroppen ikke er i stand til at bruge den dannede insulin effektivt nok – i alle tilfælde vil mere insulin afhjælpe problemet. Men hvorfor er der pludselig ikke nok insulin til at opretholde den rigtige blodsukkerkoncentration? Der kan være flere forskellige årsager, som beskrives nedenfor.

     

    Type 1 diabetes og immunforsvarets rolle

    Type 1 diabetes karakteriseres ved, at insulinproduktionen er nede på mindre end 10 % af, hvad den er i raske personer. Det skyldes at patienten har meget få beta-celler tilbage i bugspytkirtlen. Type 1 diabetes er en såkaldt autoimmun sygdom, hvor kroppens eget immunforsvar ødelægger beta-cellerne. Der findes undersøgelser, der tyder på, at infektioner med virus kan være med til denne fejlaktivering af immunforsvaret, men det er ikke bevist. Det vides altså ikke med sikkerhed hvorfor immunforsvaret pludselig ødelægger kroppens egne beta-celler, men der forskes meget i at finde ud af det.

     

    Type 2 diabetes og sammenhængen med overvægt

    Ved type 2 diabetes producerer kroppen stadig en del insulin, men bare ikke nok til at opretholde den helt rette glukosekoncentration i blodet. Symptomerne viser sig først efter lang tid med for højt blodsukker, og derfor er der mange, som har type 2 diabetes uden at vide det.

    Figur 4. Produktion af insulin i beta-cellerne. På figuren ses, hvordan insulingenet på DNAet transkripteres til mRNA, der translateres til proinsulin, hvor A-kæden kobles til B-kæden vha. svovlbroer. Herefter skæres C-kæden fra hvorved virksomt insulin dannes. Insulinen lagres i vesikler (små beholdere) og udskilles først, når glukosekoncentrationen omkring cellen stiger.

    De fleste patienter med type 2 diabetes har det, man kalder insulinresistens: cellerne i kroppen reagerer mindre end normalt på påvirkningen fra insulin. Der skal altså bruges relativt mere insulin for at opretholde den normale glukosekoncentration, og det er ikke muligt for beta-cellerne at producere de øgede mængder insulin. Med tiden kan insulinproduktionen også falde yderligere hos disse personer på grund af en langsom aktivering af immunsystemet, og det er således muligt at en type 2 diabetes gradvist ændres til type 1.

    Overvægt nævnes ofte som en årsag til type 2 diabetes. Det skyldes, at en overvægtig person får begyndende insulinresistens, hvilket giver behov for meget mere insulin end tilfældet hos en normalvægtig. Det viser sig, at en overvægtig person, som stadig har normalt blodsukker, faktisk har flere beta-celler end en normal-vægtig.  Der sker altså normalt en automatisk opregulering i evnen til at producere insulin ved overvægt og begyndende insulinresistens. Den ”vestlige livsstil” med overdrevent kalorieindtag og manglende motion er dog en farlig cocktail, som til sidst overstiger kroppens evne til at danne nok beta-celler. Når kroppen ikke kan danne de ekstra beta-celler der er brug for, så får man type 2 diabetes. Type 2 diabetes kan altså karakteriseres ved, at der er færre beta-celler, end der er brug for. I starten kan man nøjes med medicin, som øger de tilbageværende beta-cellers aktivitet. Ved uændret livsstil er der stor sandsynlighed for, at man gradvist mister flere beta-celler, hvilket giver et akut behov for insulinbehandling.

    Personen vil ofte kunne slippe af med en tidlig type 2 diabetes ved at omlægge sin livsstil, dvs. blive normalvægtig igen og dyrke masser af motion.

     

    Sammenhængen mellem dårlig insulinregulering og senkomplikationer

    Hvis blodsukkeret ikke reguleres helt præcist, opstår der symptomer, som først viser sig efter flere år, både ved type 1 og type 2 diabetes. Det skyldes i høj grad, at der normalt kun gives insulinindsprøjtninger ca. 3 gange om dagen (ved hvert måltid), hvorimod en rask krop kan regulere insulinen meget præcist hele tiden. Det resulterer i, at blodsukkerkoncentrationen ofte er højere end det normale niveau. Det spiller ingen rolle på kort sigt, men på langt sigt har det en række konsekvenser. Den osmotiske effekt af glukose har som beskrevet en negativ effekt på cellerne, og glukosen kan også reagere med proteiner på cellernes overflade og danne uønskede strukturer.

    Figur 5. Sammenhæng mellem diabetes og overvægt. På figuren er vist beta-cellemængden hos en normal-vægtig og en overvægtig. Det ses, at en overvægtig har brug for flere beta-celler end en normal-vægtig. Hvis ikke der dannes flere beta-celler, når personen bliver overvægtig (hvilket ofte er tilfældet), får personen derfor diabetes. Hvis beta-cellerne dør, og der til sidst er færre end 10 % af de nødvendige celler tilbage, udvikles type 1 diabetes. Kilde: O. D Madsen: Stem cells and diabetes treatment. The Author 113, 858–875 (2005).

    Diabetespatienter der lever med bare lidt forhøjet blodsukker i mange år, kan blive ramt af blindhed, nyresvigt, sår der ikke heler, koldbrand og blodpropper i hjerne og hjerte. Disse symptomer kaldes under et for senkomplikationer af diabetes.

    Omkostningerne til disse senkomplikationer medfører langt den største sundhedsmæssige udgift forbundet med diabetes.

    I de følgende artikler beskrives, hvordan forskere forsøger at finde en behandling, der kan helbrede diabetes. En fuldstændig helbredelse er karakteriseret ved, at patienten kommer til at fungere helt som en rask person – uden daglige insulinindsprøjtninger. Hvis det lykkedes at helbrede diabetes, vil det have en enorm konsekvens for samfundet og for det enkelte menneske. Livskvaliteten for millioner af mennesker vil højnes betragteligt, da diabetespatienterne hverken skal tage daglige indsprøjtninger, undgår de meget ubehagelige senkomplikationer, samtidig med at de ikke behøver at tænke over, hvad de spiser. Som det ses af figuren, vil det økonomisk betyde en betragtelig besparelse på sundhedsudgifterne, da de meget dyre senkomplikationer undgås. Forskningen i at bruge en behandling med beta-celler lavet fra stamceller til behandling af diabetes, forventes i fremtiden at kunne helbrede diabetes, og det er denne mulighed, der beskrives i de følgende artikler.

    Figur 6. Årlige udgifter til diabetesbehandling. 75 % af de 1200 milliarder kr. der bruges på diabetesbehandling, er udgifter til senkomplikationer. Kilde: International Diabetes Federation, http://www.idf.org/.

    I denne artikel forklares, hvad en stamcelle er, og hvordan man håber, at stamcelleforskningen vil give resultater, der kan bruges til at helbrede en lang række sygdomme i fremtiden. Herefter gennemgås de grundlæggende teorier inden for udviklingsbiologien, der beskriver, hvordan et foster udvikles på molekylært niveau. Det beskrives til sidst, hvordan forskning i udviklingsbiologi er nødvendig for at kunne lave effektive behandlinger af sygdomme med stamceller.

     

    Hvad er en stamcelle?

    En stamcelle er en celle, der kan differentiere sig (dele sig og udvikle sig) til mange forskellige celletyper i kroppen – man kan sige, at den er stamfader til kroppens celler. Både det befrugtede æg og de første celler, der dannes, når ægget deler sig, er stamceller, da de kan differentiere sig til alle kroppens celler.

    Det befrugtede æg deler sig flere gange og kaldes en blastocyst, når det består af ca. 100 celler. Blastocysten består af to forskellige celletyper, så der er allerede her sket en differentiering. Den indre cellemasse i blastocysten består af stamceller, som udvikler sig til det egentlige foster. Man kan få den indre cellemasse til at vokse i en petriskål i laboratoriet, og det er på den måde, at en kultur af embryonale stamceller kan etableres. Det er disse celler, der normalt benyttes, når der tales om ”forsøg med stamceller” eller ”ES-celler”. De embryonale stamceller bevarer deres funktion, når de dyrkes i laboratoriet. De rummer således muligheden for at kunne differentiere sig til alle kroppens mere end  200 kendte celletyper. Det er dog vigtigt at understrege, at de alene ikke kan danne et nyt menneske, da de ikke kan differentiere sig til cellerne i navlestrengen og moderkagen.

     

    Hvordan behandles sygdomme med embryonale stamceller?

    Rigtig mange af de alvorligste sygdomme skyldes, at bestemte celler i kroppen dør eller ikke fungerer normalt. Således er betaceller døde i en diabetespatient, mens bestemte nerveceller er syge eller døde ved Parkinsons sygdom. Hvis disse celler erstattes med nye raske celler, vil patienten blive helbredt. Denne metode, hvor syge celler erstattes med raske, kaldes celleterapi, og det er bevist, at den virker i en lang række tilfælde.

    Figur 1. Udvikling fra befrugtet æg til foster. Et befrugtet æg deler sig og udvikler sig til en blastocyst, hvor cellerne er differentieret til to forskellige typer. Den indre cellemasse i blastocysten, udvikler sig til alle celler i kroppen, bl.a. hjertet, nervesystemet og immunsystemet. De ydre celler udvikler sig til moderkage og navlestreng, der supplerer det udviklende foster med næring og ilt.

    Ligesom med organtransplantationer kan raske celler overføres fra et menneske til et andet. Men der er desværre kun nok donorer til at behandle en brøkdel af dem, som kunne have glæde af det. Forskere forsøger derfor at finde en metode til at lave store mængder raske celler, der kan erstatte de syge i patienterne. Da embryonale stamceller har muligheden for at blive til alle celler i kroppen, er det oplagt at forsøge at lave dem om til en bestemt celletype (terapeutiske celler) og derefter erstatte de syge celler i en patient. Denne fremgangsmåde kaldes celleterapi med embryonale stamceller eller blot stamcelleterapi.

    Det store problem er, at det er meget kompliceret at lave stamceller om til diverse terapeutiske celler uden for kroppen. Når fosteret udvikler sig, er der et komplekst samspil mellem fosterets og moderens celler, og forskellige signalproteiner får cellerne til at udvikle sig i forskellige retninger. Som beskrevet er det målet at kunne lave stamceller om til bestemte terapeutiske celler uden for kroppen. For at det skal lykkes er det nødvendigt at finde ud af præcis, hvad der sker i kroppen, når bestemte celler dannes i et udviklende foster. Forskningen i udviklingsbiologi, er derfor utrolig vigtig for at kunne lave stamceller om til forskellige terapeutiske celler og, på længere sigt, helbrede mange millioner mennesker for nogle af de alvorligste sygdomme, vi kender.

     

    Udviklingsbiologi

    Det er utroligt at forestille sig, at en enkelt celle – det befrugtede æg – kan udvikle sig til et helt nyt menneske. Formålet med udviklingsbiologien er netop at finde ud af, hvordan det befrugtede æg bliver til alle de forskellige specialiserede celler i vores krop, og hvordan cellerne organiseres, så de ligger de rigtige steder.

    Det hele starter med at et æg befrugtes med en sædcelle. Det befrugtede æg deler sig og udvikler sig til en blastocyst, hvor cellerne er differentieret til to forskellige typer, den indre og ydre cellemasse. Den videre differentiering af den indre cellemasse kaldes gastruleringsprocessen, hvor disse celler organiseres i et indre, mellem og ydre lag. Det er allerede på dette stadie forudbestemt, hvilke celler de forskellige lag kan blive til. Det indre lag, endoderm, kan blive til blandt andet lunge-, tarm-, lever- og bugspytskirtelceller (herunder betaceller). Det mellemste lag mesoderm, udvikler sig til blodceller, knogleceller, muskelceller m.fl. Det ydre lag, ectoderm bliver blandt andet til nerve- og hudceller.

    Figur 3. Fremskaffelse af embryonale stamceller. Den indre cellemasse fra en blastocyst kan dyrkes i laboratoriet. Den kaldes så en kultur af embryonale stamceller. Embryonale stamceller kan blive til alle de celletyper, der findes i kroppen, hvis der vel at mærke tilsættes de rigtige stoffer til cellerne. Hvis de dannede celler kan bruges til at behandle en sygdom, kaldes de terapeutiske celler. På figuren er vist eksempler på tre celletyper der kan dannes fra embryonale stamceller.

    Differentiation af celler fra et befrugtet æg. Af figuren ses hvordan det befrugtede æg bliver til mange forskellige celler.

    Ud fra denne viden som udviklingsbiologerne har fundet frem til, kan det konkluderes, at det første skridt på vejen til dannelsen af f.eks. betaceller fra stamceller, er at lave endodermale celler. Det er derfor nødvendigt at se på hvilke signalproteiner, der påvirker netop dannelsen af det indre lag, endodermen. I den sammenhæng er det vigtigt at vide, hvilken rolle signalproteiner spiller for hele fosterudviklingen.

     

    Signalproteiner styrer udviklingen af fosteret

    Allerede tidligt i udviklingen begynder cellerne at danne signalproteiner. Det befrugtede æg og de første mange celler, der dannes fra det, bliver meget påvirket af hvilke signaler, der er til stede omkring dem. Disse signaler er afgørende for, hvordan en celle udvikler sig. Således kan bindingen af bestemte signalproteiner til receptorer på en celles overflade, få cellen til at begå kontrolleret selvmord, dele sig, bevæge sig, eller differentiere sig til en ny celletype. En receptor kan beskrives som et nøglehul, mens signalproteinet er en nøgle: Kun hvis den rigtige nøgle sættes i låsen, fås en reaktion.

    Flere af disse signalproteiner informerer cellerne om, hvor de befinder sig: foran, bagved, til højre eller til venstre i hvad der senere bliver til fosteret. Dette foregår ved, at der i forenden af celleklumpen (f.eks. den ende der holder celleklumpen fast til livmoderen), dannes et bestemt signal. Dette signal fortæller cellerne, hvor tæt de befinder sig på forenden af celleklumpen: Hvis de er tæt på, er signalet stærkt, hvis de er langt væk, er det svagt. På samme måde udskiller cellerne i venstre side af celleklumpen et bestemt signalprotein.

    Figur 4. Koncentrationen af signalproteiner varierer i blastocysten. Figuren illustrerer, hvordan forskellige celler i blastocysten udsender bestemte signalproteiner (her vist med rød og blå farve). Koncentrationen af de to signalproteiner varierer meget i de forskellige dele af blastocysten, hvilket også kan ses af de fire grafer. signalproteinerne påvirker cellerne til at differentiere sig i forskellige retninger.

    Når disse signaler opfanges af cellerne, reagerer de på bestemte måder. Hvis en celle f.eks. ligger foran til højre i celleklumpen på figuren, vil den modtage kraftige signaler fra cellerne foran, men kun svage signaler fra cellerne til venstre. I cellernes arvemasse er indkodet, præcis hvordan de skal udvikle sig ved modtagelsen af bestemte signaler, og cellerne i et bestemt område udvikler sig derfor ens. Celler, der kun modtager det blå signal, vil altså udvikle sig anderledes end celler, der modtager både det røde og det blå signal. Det skal understreges, at der i et udviklende foster er mange flere signalproteiner end de her angivne, og at farverne blot er for illustrationens skyld.

    Det kan også være altafgørende, hvor kraftigt signalet er. F.eks. kan en meget høj koncentration af et signalprotein føre til én reaktion, mens en mindre kraftig koncentration, kan føre til en anden. I et bestemt område af det udviklende foster, begynder der f.eks. at dannes et signalprotein, der er vigtigt for dannelsen af bugspytkirtlen.

    Hvis dette signalprotein modtages kraftigt (af celler der er tæt på), begynder cellerne at udvikle sig til et forstadium af bugspytkirtlen.

    Figur 5. Cellesignalering bestemmer cellernes udvikling. En celle udsender et signal (små trekanter). Dette signal opfanges af andre celler, men jo længere væk de er, jo mindre signalprotein modtager de. Det er helt afgørende for cellernes udvikling, hvor kraftigt de modtager et bestemt signal. De tre nederste celler udvikler sig derfor helt forskelligt pga. den forskellige koncentration af signalprotein, der binder sig til dem.

    Hvis signalproteinet modtages svagt, signalerer det til gengæld det modsatte: ”du skal ikke blive til en bugspytkirtelcelle, da andre celler allerede er i gang med dette”. Det kan føre til, at de celler der modtager det svage signal, udvikler sig i en anden retning eller begår kontrolleret celleselvmord.

    Modtagelsen af bestemte signaler kan også føre til, at cellen selv begynder at udsende signaler. På den måde opstår der et komplekst signalnetværk, hvor celler signalerer til hinanden og udvikler sig efter hvilke signaler, de modtager. Det er dette utrolig komplekse netværk af signaler, der sørger for, at alt i det nye menneske dannes de rigtige steder og med de rigtige størrelser.

    Modtagelsen af signaler bestemmer, hvilke gener der udtrykkes

    Alle celler i kroppen indeholder præcis de samme gener i deres DNA, så hvordan kan de udvikle sig forskelligt? Det skyldes, at det i cellerne er meget forskelligt, hvilke gener der er aktiveret. F.eks. har alle celler i kroppen genet for insulin, men kun i betacellerne er det aktivt. Om et gen er aktivt, kan reguleres af såkaldte transkriptionsfaktorer. En transkriptionsfaktor er et protein, der kan binde til et gen og derved bestemme, om genet bliver udtrykt. Det ses ofte, at et signalprotein binder til en receptor på en celle, hvorefter en bestemt transkriptionsfaktor aktiveres. Transkriptionsfaktoren bestemmer herefter, om et bestemt gen aktiveres eller ej. Der er to forskellige former for transkriptionsfaktorer, hvoraf den mest almindelige kaldes en aktivator.

    En aktivator binder til bestemte gener og sørger for at de bliver udtrykt, således at genet kun udtrykkes, når aktivatoren er til stede. En repressor, vil derimod forhindre, at et bestemt gen bliver udtrykt. Genet vil kun blive udtrykt, hvis repressoren ikke er til stede. Transkriptionsfaktorer kan altså meget præcist kontrollere, hvilke gener der er aktive i en celle.

    Figur 6. Cellerne fra et menneske indeholder samme arvemasse og adskiller sig fra hinanden fordi der er forskel på hvilke af cellernes gener, der er aktiveret. Alle celler i kroppen har det samme DNA. Det der gør dem forskellige, er hvilke gener, der er aktive i cellerne. Det er transkriptionsfaktorer (aktivatorer og repressorer) der direkte styrer, hvilke gener der bliver udtrykt ved at binde sig til DNA’et. Som eksempel er her vist, hvordan en hudcelle og en betacelle har de samme gener, men udtrykker forskellige af dem.

    Der er f.eks. et bestemt signalprotein, som aktiverer en transkriptionsfaktor, der binder sig både til insulin-genet og til genet for et glukosetransportprotein. Denne transkriptionsfaktor sørger for at de to gener bliver udtrykt, og fungerer som en aktivator. Det er lige præcis dette bestemte signalprotein, som forskerne prøver at finde. Dog er det mere kompliceret end som så. signalproteinet virker nemlig kun på helt bestemte celler, der har modtaget den helt rigtige rækkefølge af signalproteiner, siden cellerne var et befrugtet æg. Forskerne er altså nødt til at finde hele den række af signalproteiner, der kan omdanne en stamcelle til en bestemt terapeutisk celle.

    Vejen fra en stamcelle til en betacelle beskrives vha. følgende: Først skal der dannes en endodermal celle vha. bestemte signalfaktorer. Den endodermale celle påvirkes herefter til at blive til en umoden celle, der udtrykker transkriptionsfaktoren Pdx1. Et bestemt signalprotein laver den endodermale celle til en pdx1-positiv umoden celle, mens et andet signalprotein, laver den til en levercelle.

    Figur 7. Udvikling fra en stamcelle til en betacelle. Det bliver din opgave at finde de signalproteiner, der kan påvirke en stamcelle til at følge denne udvikling. Derpå skal du afprøve dem i det virtuelle laboratorium.

    Den Pdx1-positive celle har muligheden for at blive til alle cellerne i bugspytkirtlen bl.a. en neurogenin3-positiv celle (ngn3), der igen har muligheden for at blive til alle hormonproducerende celler i  bugspytkirtlen, men ikke til andre. Det er lykkedes forskere at få dannet en ngn3-positiv celle, men ikke at videredifferentiere den til en funktionel betacelle.

     

    Stamceller og kræft – hvorfor kan alle celler ikke bare dele sig uendeligt?

    Man kan undre sig over, hvorfor der overhovedet eksisterer stamceller, Det ville da være meget nemmere hvis alle celler i kroppen bare kunne dele sig. Et stort problem er, at jo mindre differentieret en celle er, jo større er sandsynligheden for, at den kan forårsage kræft.

    Kræft opstår, når kroppens egne celler ikke længere kan kontrolleres. De begynder at vokse uhæmmet, og beskadiger derved de raske celler i kroppen. For at forhindre kræft, er der en række kontrolmekanismer, som sørger for, at kroppens celler ikke deler sig uhæmmet. En af disse kontrolmekanismer er, at kun stamceller har muligheden for at dele sig uendeligt. Alle andre celler i kroppen kan enten slet ikke dele sig eller kun dele sig et begrænset antal gange. Stamceller kan danne teratomer – en speciel kræftsvulst, som indeholder mange forskellige typer væv. Det er faktisk ”kvalitetsstemplet” på en embryonal stamcellekultur, at den kan danne forskellige væv fra alle tre kimlag (endo- meso- og ectoderm) i teratomaer, når den indsprøjtes i såkaldt ”nøgne mus”. Det er mus, der har fået fjernet deres immunforsvar, så de ikke afstøder fremmede celletyper, og dermed kan bruges til forsøg som dette. Det er af samme grund utrolig vigtigt, at være sikker på, at der ikke er nogen udifferentierede stamceller tilbage, når der laves terapeutiske celler fra stamceller. De tilbageværende stamceller vil medføre en stor risiko for kræft. Det er nødvendigt med omfattende kontrolmekanismer, som sikrer dette, så behandlinger, der er lavet til at helbrede én sygdom, ikke giver en meget seriøs bivirkning, nemlig at patienterne får kræft.

    I denne artikel beskrives, hvilke forskellige typer stamceller der findes, og hvilke egenskaber de har. Det beskrives herefter, hvordan forskerne bruger gensplejsning, virus og selvlysende mus, til at finde frem til de signalproteiner, der kan lave stamceller om til forskellige terapeutiske celler. Til sidst forklares, hvordan forskerne dyrker stamceller og forsøger at differentiere stamceller til terapeutiske celler i laboratoriet.

     

    Forskellige typer stamceller

    Stamceller er uspecialiserede celler, der har evnen til at udvikle sig til mange andre celler. Ud over embryonale stamceller, der blev beskrevet i den foregående artikel, findes der voksne stamceller. Hvor embryonale stamceller kan udvikle sig til alle kroppens celler, kan voksne stamceller kun udvikle sig til nogle få nært beslægtede celletyper.

    Nedenfor er en beskrivelse af forskellige typer stamceller, opdelt efter hvor stort et antal nye celletyper de har mulighed for at udvikle sig til.

     

    Hvordan virker en stamcelle?

    Når en stamcelle deler sig, kan det ske på flere måder. Ved en symmetrisk celledeling deles stamcellen til to nye stamceller. Dette kan gøres i laboratoriet, og det er derfor muligt at lave så mange stamceller, som der ønskes.

    Figur 1. Stamceller

    Ved en asymmetrisk celledeling dannes både en ny celletype og en stamcelle. Dvs. at en enkel stamcelle har mulighed for at lave uendelig mange nye celler, og stadig selv være bevaret. Den nye celletype, der dannes ved en asymmetrisk celledeling, kan udvikle sig til en fuldt differentieret celle, se figuren.

     

    I denne artikel beskrives, hvilke forskellige typer stamceller der findes, og hvilke egenskaber de har. Det beskrives herefter, hvordan forskerne bruger gensplejsning, virus og selvlysende mus, til at finde frem til de signalproteiner, der kan lave stamceller om til forskellige terapeutiske celler. Til sidst forklares, hvordan forskerne dyrker stamceller og forsøger at differentiere stamceller til terapeutiske celler i laboratoriet.

    Forskellige typer stamceller

    Stamceller er uspecialiserede celler, der har evnen til at udvikle sig til mange andre celler. Ud over embryonale stamceller, der blev beskrevet i den foregående artikel, findes der voksne stamceller. Hvor embryonale stamceller kan udvikle sig til alle kroppens celler, kan voksne stamceller kun udvikle sig til nogle få nært beslægtede celletyper.

    Nedenfor er en beskrivelse af forskellige typer stamceller, opdelt efter hvor stort et antal nye celletyper de har mulighed for at udvikle sig til.

    Figur 2. Stamcelledeling. På figuren er illustreret, hvordan en stamcelle kan dele sig symmetrisk og asymmetrisk, samt hvordan cellerne bliver mindre potente (kan blive til færre celler) hver gang, der sker en asymmetrisk deling.

    Voksne stamceller

    Voksne stamceller er multipotente stamceller, der findes i kroppen hos voksne mennesker. Voksne stamceller kan ikke blive til alle kroppens celletyper, men et begrænset antal celletyper. Således kan blodstamceller i knoglemarven differentiere sig til alle typer blodceller, men de kan eksempelvis ikke blive til hjerneceller. Stamcellerne deler sig asymmetrisk, således at stamcellerne bevares, mens der bl.a. dannes nye røde og hvide blodceller. I de fleste organer findes stamceller der sørger for at danne nye celler, når det er nødvendigt.

    For at mindske risikoen for kræft, er det vigtigt, at der findes så få stamceller som muligt i kroppen. Derfor er det smart, at det kun er voksne stamceller, og ikke alle celler, der kan danne nye celler til de fleste organer.

     

    Udviklingen bestemmes af hvilke transkriptionsfaktorer, der er aktive

    Som beskrevet i den foregående artikel, forsøger forskere, at finde frem til hvilke signalproteiner embryonale stamcelle skal udsættes for, så de kan blive til fuldt differentierede celler, der kan anvendes terapeutisk (f.eks. en betacelle). Man forsøger at udvikle en protokol, dvs. en opskrift på præcis hvor og hvornår bestemte signalproteiner skal tilsættes til stamcellekulturen, for at få dannet de terapeutiske celler. De terapeutiske celler kan herefter bruges til at erstatte de døde eller syge celler i patienter, der dermed bliver helbredt.

    Figur 3. Signalproteiner og transkriptionsfaktorers virkningsmekanisme. (1) Signalproteiner uden for cellen, reagerer med receptorproteiner på overfladen af bestemte celler. (2) Receptorproteinet bliver herved i stand til at aktivere bestemte transkriptionsfaktorer i cellen. (3) De aktiverede transkriptionsfaktorer kan nu binde til DNAet foran bestemte gener og sørge for, at de bliver aktiveret. (4) Genet transkripteres (5) og translateres til et færdigt protein. Det færdige protein kan f.eks. være enzymer, hormoner (f.eks. insulin) eller nye signalproteiner. 

    Det første skridt,er at finde ud af hvilke transkriptionsfaktorer, der bliver udtrykt i de umodne celler, som dannes på vejen fra en stamcelle, til den terapeutiske celle. Når disse transkriptionsfaktorer er kendte, kan en masse forskellige signalproteiner ”afprøves” på stamcellerne. Hvis den kendte transkriptionsfaktor udtrykkes, har man fundet det rigtige signalprotein. I det følgende beskrives, hvordan gensplejsning bruges til at afsløre hvilke transkriptionsfaktorer, der findes i cellerne på bestemte stadier i udviklingen.

    Ved hjælp af kemiske metoder kan det undersøges, hvilke proteiner og stoffer der er til stede i bestemte celler. Dette kan give en idé om, hvilke transkriptionsfaktorer der er vigtige for differentieringen af cellerne. Da transkriptionsfaktorer er proteiner og dermed laves ud fra mRNA-strenge, kan det også undersøges, hvilke mRNA strenge der findes i en bestemt celle. Derved kan der spores ind på, hvilke transkriptionsfaktorer der kan være vigtige for de rette fosterudvikling. Problemet er, at der findes utrolig mange proteiner og kemiske stoffer i en celle. Kun de allerfærreste proteiner og stoffer har noget med differentieringen at gøre, så det er et meget stort arbejde.

    Når det er lykkedes at finde et stof, som forskerne formoder kan være vigtigt for celledifferentieringen, kan der laves en såkaldt knockout-mus. I knockout-musen har man fjernet (knockout’et) det gen, der koder for den formodede transkriptionsfaktor. Herved dannes denne transkriptionsfaktor ikke. Ved at lade det genmodificerede musefoster udvikle sig, kan forskerne se, om der er forskel på et normalt foster og et foster uden det gen, der undersøges. F.eks. vil en mus, som har fået slettet det gen, der koder for transkriptionsfaktoren Neurogenin 3, ikke danne nogen af de hormonproducerende celler, der findes i bugspytkirtlen. På den måde kan det konstateres, at en Neurogenin 3-positiv celle er en umoden celle, der findes på vejen til dannelsen af bl.a. en betacelle.

    Selvlysende regnbuemus

    Metoden med knockout-mus er anvendelig til at konstatere om en bestemt transkriptionsfaktor udtrykkes i en umoden celle. Men det er også vigtigt at vide, hvornår i fosterets udvikling transkriptionsfaktoren dannes. Dette kan også undersøges ved hjælp af genmodificerede mus. I genteknologien bruges ofte et såkaldt grønt fluorescerende protein (GFP) som findes i en bestemt slags vandmand. Dette protein lyser grønt, når det bestråles med UV-lys.

    Ved hjælp af gensplejsning er det muligt at indsætte genet for GFP i en stamcelle, på en måde så GFP-proteinet kun bliver dannet samtidig med en bestemt transkriptionsfaktor, f.eks. Neurogenin 3. Når Neurogenin 3 bliver udtrykt i den genmodificerede celle, bliver der derfor også produceret GFP. Ved at bestråle et udviklende muse-embryo med UV-lys, kan det derfor nemt ses, om Neurogenin 3 transkriptionsfaktoren er til stede i cellerne: Cellerne lyser grønt! På den måde kan det konstateres, hvilke celler der udtrykker Neurogenin 3, og på hvilket tidspunkt i udviklingen de gør det.

    Figur 4. Udviklende bugspytkirtel i et musefoster. (1) er 9 dage efter ægget er blevet befrugtet, og (4) er 12 dage efter. Transkriptionsfaktoren Neurogenin 3 vises som den røde farve, mens transkriptionsfaktoren Pdx1 vises som den grønne farve. Bemærk, at Neurogenin3 er aktiv i små celleklumper, der bliver til de Langerhanske øer, hvor alle de hormonproducerende celler sidder. Kilde: Jorgensen et al. An illustrated review of early pancreas development in the mouse. Endocrine Reviews 28, 685–705 (2007).

    Figur 5. Grønt Fluorescerende Protein. Et musefoster og en voksen mus, gensplejset med GFP. Gensplejsningen er lavet, så GFP udtrykkes i alle musens celler. Det øverste billede er venligst stillet til rådighed af Dr Tom Pratt og er fra artiklen Pratt et al., Developmental Biology vol. 228, p 19-28 (2000) og det nederste billede er venligst stillet til rådighed af Kat Hadjantonakis.

    Der findes mange forskellige farver fluorescerende proteiner, og de kan alle gensplejses ind i en mus, så musen lyser, når bestemte gener udtrykkes. En mus, der indeholder mange af disse genmodifikationer, kaldes en regnbuemus. Den vil udtrykke flere forskellige farver i cellerne gennem udviklingen af fosteret. På den måde kan det ses, hvilke transkriptionsfaktorer der udtrykkes hvornår. Således opnås en øget forståelse af hvad der sker i fosterudviklingen på bestemte tidspunkter.

    Det er, som forklaret tidligere, ved hjælp af disse og andre teknikker lykkedes forskere at finde de transkriptionsfaktorer, der specifikt udtrykkes i umodne forstadier til betaceller (Foxa2, pdx1 og Neurogenin 3).

    Figur 7. Bestemte transkriptionsfaktorer karakteriserer forstadier til betaceller. På figuren er vist de umodne celler, der findes mellem en stamcelle og en betacelle. Disse celler kan identificeres efter hvilke transkriptionsfaktorer, der udtrykkes i dem. På figuren er angivet den vigtigste og mest markante transkriptionsfaktor, der karakteriserer disse celler.

    Figur 6. GFP bruges meget i forskningen. Billeder af et transgent regnbuemusefoster. Musefosteret udtrykker GFP (grønt) i moderkagen og navlestrengen, mens RFP (rødt) udtrykkes i resten af musen. Totipotente stamceller kan danne både den grønne og den røde del, mens embryonale stamceller kun kan danne den røde del. Billedet er venligst stillet til rådighed af Gloria Kwon.

    Hvordan findes signalproteinerne?

    Med en detaljeret viden om, hvilke transkriptionsfaktorer der udtrykkes hvornår i udviklingen fra stamcelle til en bestemt fuldt differentieret celle, der kan anvendes terapeutisk, har forskerne nu et meget vigtigt redskab til den videre forskning. Ved f.eks. at gensplejse en stamcelle, så den udtrykker GFP samtidig med transkriptionsfaktoren Foxa2 (der udtrykkes i endodermale celler, se ovenstående figur), kan det hurtigt afgøres, om cellerne udvikler sig i den rigtige retning. Den simpleste, men også mest tidskrævende metode, benytter sig af en såkaldt shotgun screening, hvilket betyder at utrolig mange stoffer testes efter hinanden, uden at forskerne aner, om de virker. En stamcellekultur i laboratoriet tilsættes et væld af forskellige signalproteiner, og i et mikroskop undersøges, om nogle af cellerne lyser grønt, hvilket betyder, at Foxa2 bliver udtrykt, og at der er dermed dannet endodermale celler.

     

    Når et stof bliver identificeret som det rigtige signalprotein, der kan aktivere en vigtig transkriptionsfaktor, er forskerne et skridt videre i arbejdet. De kan nu tilsætte det rigtige første signalprotein og få udtrykt Foxa2. Derefter screenes for nye signalproteiner, der kan aktivere den næste vigtige transkriptionsfaktor, som indikerer at cellen udvikler sig i en bestemt retning. Det er en meget lang proces, og i realiteten er det kun muligt, hvis forskerne har nogle kvalificerede gæt om hvilke stoffer, der kan spille en rolle. Ellers er der mange tusinde stoffer, der forgæves må undersøges. Heldigvis har forskerne metoder til at indsnævre søgefeltet.

    En metode til at identificere vigtige signalproteiner er at undersøge de stoffer der er til stede uden for cellen, afsendt af andre celler. Forskerne prøver derfor at finde ud af, hvilke stoffer, som findes uden for netop de umodne celler, som senere differentieres til bestemte terapeutiske celler. Forskerne undersøger også hvilke stoffer, der udskilles af andre celletyper, som ligger i nærheden af de udviklende terapeutiske celler. På den måde får forskerne reduceret antallet af mulige signalproteiner, som de derefter kan teste ved ovenstående metode.

     

    Kan transkriptionsfaktorerne ikke bare tilsættes direkte?

    Hele pointen med at tilsætte bestemte signalmolekyler, er at få aktiveret de transkriptionsfaktorer, der udvikler stamcellen til en bestemt terapeutisk celle. Men hvorfor tilsættes disse transkriptionsfaktorer ikke bare direkte til cellerne? Det skyldes, at transkriptionsfaktorer kun virker inde i cellen. Hvis de befinder sig uden for cellen, er der ikke nogen receptor eller mulighed for at komme ind i cellen. Selv hvis det alligevel lykkes transkriptionsfaktoren at komme ind i cellen, er sandsynligheden utrolig lille for, at den finder vej til DNAet i cellekernen.

    Figur 8. Screening efter signalproteiner. (1) En stamcelle gensplejses, så den udtrykker GFP samtidig med en bestemt transkriptionsfaktor (f.eks. Foxa2) nøjagtig som i animationen ovenfor. (2) De gensplejsede stamceller deler sig symmetrisk, så flere millioner celler kan gemmes i en reagenskolbe. (3) Et muligt signalprotein sættes til nogle af de gensplejsede celler. I langt de fleste tilfælde vil det tilsatte stof ikke føre til, at Foxa2 bliver udtrykt, og dermed kan det ikke være det rigtige signalprotein. Forsøget gentages (4) derfor, indtil et tilsat signalprotein gør, at Foxa2 bliver udtrykt i cellen (5). Når dette sker, dannes der også GFP. Cellerne vil lyse grønt, og signalproteinet kan derved identificeres.

    Flere forskere prøver derfor at finde en metode, så de kan binde transkriptionsfaktorerne til bestemte transportstoffer, der sørger for at transportere dem ind i cellekernen. Det er ikke lykkedes endnu, men hvis det gør, vil det give utrolige muligheder for stamcelleforskningen og mange andre forskningsområder. Med denne teknik til rådighed vil det være muligt at aktivere de rigtige gener med transkriptionsfaktorer, uden at behøve at kende noget til signalproteiner.

    Inden for udviklingsbiologien forskes meget i at få kendskab til de signalproteiner, der aktiverer bestemte transkriptionsfaktorer i et udviklende foster. Hvis denne viden overføres til laboratoriet, kan stamceller omdannes til bestemte terapeutiske celler, der kan helbrede patienter for mange forskellige sygdomme.

    I denne artikel forklares, hvordan immunforsvaret spiller en vigtig rolle ved celleterapi. Immunforsvaret vil forsøge at afstøde de transplanterede celler, selv om de er gode for patienten. Der forskes derfor intensivt i metoder, der kan medføre, at de transplanterede celler opfører sig fuldstændig ligesom kroppens egne. Det beskrives, hvordan forskerne forsøger at manipulere patientens immunforsvar, og hvordan det vha. terapeutisk kloning bliver forsøgt at lave patientspecifikke stamceller. Til sidst beskrives inducerede Pluripotente Stamceller (iPS-celler). Det er hudceller, der vha. menneskeskabte vira er omprogrammeret til celler, der i høj grad ligner embryonale stamceller. Mange forskere tror, at iPS-celler på længere sigt kan gøre brugen af de etisk kontroversielle embryonale stamceller overflødig.

    Celleterapi og immunforsvaret

    Immunforsvaret beskytter os mod, at fremmede organismer som bakterier og vira kan leve i vores krop. Immunforsvaret består af en række celler med forskellige funktioner. Disse celler kan skelne fremmede celler fra kroppens egne, og sørge for at de fremmede celler bekæmpes. (Se evt. Biotech Academy-projekt om immunforsvaret)

    Hvert menneske har sit eget unikke immunforsvar og sin egen vævstype. Det skyldes, at der på overfladen af samtlige celler i et menneske sidder en slags stregkode af proteiner, som er unik fra person til person. Denne stregkode kaldes en vævstype, og overfladeproteinerne kaldes antigener. Nært beslægtede personer har dog vævstyper, der ligner hinanden meget. Immunforsvaret genkender altså én stregkode som ”kroppens egen celle”, mens en celle fra en anden person har en anden stregkode og dermed opfattes som fremmed. Hvis der transplanteres betaceller fra én person til en anden, vil kroppens immunforsvar aktiveres, og forsøge at slå de indsprøjtede celler ihjel. Det gælder også, selv om de transplanterede celler er gode for patienten. Det samme problem kendes fra organtransplantationer, og den nuværende løsning er ikke optimal, om end den er brugbar: immunforsvaret dæmpes.

     

    Immunforsvaret dæmpes

    For at undgå at kroppen nedbryder de nye celler, der skal hjælpe den, gives såkaldte immunosuppressive stoffer. Disse stoffer dæmper funktionen af immunforsvaret, så de transplanterede celler eller organer ikke ødelægges.

    Figur 1. Overordnet beskrivelse af immunforsvaret. En dendritisk celle scanner en fremmed celle og opdager et fremmed antigen på dens overflade. Den dendritiske celle modnes herefter, og aktiverer B-celler og T-dræberceller. B-cellerne producerer antistoffer, der er helt specifikke mod den fremmede celles antigener (stregkode). T-dræberceller og andre immunceller kan nu identificere den fremmede celle vha.de antistoffer, der binder sig til cellen, og dræbe den.

    Det virker ret godt, men har den uheldige bivirkning, at patienten får et nedsat immunforsvar, og dermed højere risiko for at få infektioner samt på lang sigt en øget kræftrisiko. Når bakterier og vira kommer ind i kroppen på en patient behandlet med immunosuppressive stoffer, møder de langt mindre modstand end normalt, og kan derfor dele sig og inficere kroppen i større grad. Der forskes intensivt i at finde bedre immunosuppressive stoffer, der kun hæmmer specifikke dele af immunforsvaret. Det forsøges også at lave stoffer der gør at immunforsvaret reagerer i mindre grad mod netop de transplanterede celler. Men selv hvis det lykkes, vil denne metode stadig kræve livslang behandling.

    Pga. den højere risiko for infektioner og kræft ved brug af immunosuppressive stoffer, forsøger forskerne at finde andre metoder, så de transplanterede terapeutiske celler ikke slås ihjel af immunforsvaret. Her gennemgås de mest lovende metoder: stamcellebanker, celleterapi med immunforsvarsceller og patientspecifikke terapeutiske celler.

    Figur 2. Stamcellebank. Nogle forskere tror, at hvis man har nok forskellige stamceller i en stamcellebank, kan der altid findes én der har samme stregkode som en bestemt patients celler. Ud fra disse stamceller kan der laves terapeutiske celler, der ikke afstødes af patientens immunforsvar.

    Stamcellebanker

    Flere forskere har foreslået, at der bør oprettes stamcellebanker indeholdende en række stamcellekulturer, der alle har forskellige stregkoder. Når en patient skal behandles med celleterapi, udvælges derfor stamceller fra banken, der matcher patientens stregkode bedst muligt.

    En del forskere argumenterer for, at hvis stamcellebanken er omfattende nok, vil det være muligt at lave terapeutiske celler med stregkoder, der matcher langt de fleste mennesker. Der er dog stor uenighed om, hvor mange stamcellelinjer en brugbar bank skal indeholde for at dække en tilstrækkelig stor del af de mulige stregkoder. Nogle forskere mener, at der skal bruges så mange, at hele projektet er urealistisk. Det er meget sandsynligt, at der skal være et næsten perfekt match, for at kroppen kan leve med fremmede celler i mange år uden at bruge immunsuppressive stoffer. Men jo tættere match, jo mildere immunsuppressive stoffer kan bruges, hvilket kan gøre en stor forskel for patienten.

    Figur 3. En dendritisk celle scanner en anden celle. Stregkoden består af proteiner på cellens overflade. Disse proteiner kaldes antigener.

    Patientspecifikke celler forventes dog ikke at kunne hjælpe ved autoimmune sygdomme som type 1 diabetes. I dette tilfælde vil de transplanterede celler formentlig blive dræbt af immunforsvaret ligesom patientens egne betaceller er blevet. Det skyldes, at de har samme stregkode.

    Stamcellebanker kan være en meget nyttig løsning på kort sig. Løsningen er ikke perfekt, men kan blive til gavn for rigtig mange mennesker. På længere sigt, håber forskerne dog at kunne lave stamcelleterapi, hvor cellerne accepteres på lige fod med patientens egne celler, hvilket beskrives i det følgende.

    Celleterapi med immunforsvarsceller

    I immunforsvaret er det bl.a. såkaldte dendritiske celler, der afgør, hvilke celler kroppen betegner som fremmede. Når en dendritisk celle møder en anden celle, aflæser den cellens stregkode og sammenligner den med sin egen. Hvis stregkoderne er forskellige, sættes resten af immunforsvaret i gang, men hvis de er ens, udskilles stoffer, der signalerer til andre immunforsvarsceller, at de ikke skal dræbe den transplanterede celle.

    Forskerne prøver at lave dendritiske celler med samme stregkode som de transplanterede celler. De dendritiske celler vil derfor signalere til immunforsvaret, at de terapeutiske celler (der har samme stregkode) ikke skal dræbes. Musens immunforsvar vil til at starte med afstøde de transplanterede celler. Men hvis der indsprøjtes store mængder dendritiske celler, vil de efterhånden etablere sig og påvirke hele immunforsvaret, så både de oprindelige og indsprøjtede dendritiske celler bliver i kroppen. Der er herved etableret tolerance for alle celler med samme stregkode som de indsprøjtede dendritiske celler.

    Det er lykkedes forskere, at lave stamceller om til umodne dendritiske celler, der indsprøjtes i blodet på mus. Herved etableres en tolerance, hvilket betyder, at celler med samme stregkode som de oprindelige stamceller ikke afstødes af immunforsvaret. Herefter laves de oprindelige stamceller om til terapeutiske celler, der transplanteres (se figur). Pga. den etablerede tolerance vil de terapeutiske celler ikke sætte immunforsvaret i gang, og de vil derfor i teorien kunne blive i patienten resten af levetiden. Forsøg er lykkedes rigtig godt i mus, og forskerne håber, at fremgangsmåden virker så godt i mennesker, at brugen af immunosuppressive stoffer kan undgås.

    Figur 4. Tolerance etableres med dendritiske celler. Stamceller kan differentieres til umodne dendritiske celler og indsprøjtes i blodbanen på en patient. Fra den oprindelige stamcellekultur laves nu terapeutiske celler, der transplanteres til patienten. Når de dendritiske celler scanner de terapeutiske celler, vil de ikke blive betegnede som fremmede, fordi de har samme stregkode. De dendritiske celler vil derfor udskille stoffer, der signalerer, at den terapeutiske celle ikke skal dræbes. Kilde: Fairchild et al.: Embryonic stem cells and the challenge of transplantation tolerance. Trends in Immunology 25, 465–470 (2004).

    Det er samtidig meget vigtigt, at der forskes i flere forskellige metoder til at løse problemerne, da det oftest virker rigtig godt at lave kombinationsbehandlinger. Hvis det lykkes at få immunforsvaret til at acceptere transplanterede celler, har det vidtrækkende konsekvenser for behandlingen af en lang række sygdomme. Det er et problem, der skal løses, før celleterapi med stamceller kan udfolde sit fulde potentiale: Fuldstændigt at helbrede mennesker for sygdomme som kræft, AIDS, Parkinsons sygdom og sukkersyge.

     

    Terapeutisk kloning og ”risikoen” for  reproduktiv kloning

    I de seneste år, har terapeutisk kloning været et meget debatteret emne. Teknikken har blandt andet været anvendt til at klone fåret Dolly. Terapeutisk kloning virker ved, at en cellekerne fra en hvilken som helst  celle (f.eks. en hudcelle) fra en patient overføres til et ubefrugtet æg, der har fået fjernet sin egen kerne. Ægget, der nu tror at det er befrugtet, indeholder arvemateriale fra patienten, som donerede kernen. Hvis dette æg indsættes i en livmoder, vil det kunne udvikles til en klon af patienten, hvilket var tilfældet med fåret Dolly (reproduktiv kloning). Det er dog ikke officielt blevet forsøgt på mennesker, da det af etiske årsager er forbudt at klone mennesker.

    Idéen med terapeutisk kloning er at lade det dannede ’befrugtede æg’ udvikle sig til blastocyststadiet, hvorfra der isoleres embryonale stamceller. Stamcellerne har samme stregkode som patientens egne celler. Cellerne afstødes derfor ikke af patientens immunforsvar. Hvis disse stamceller differentieres til terapeutiske celler, kan de transplanteres til patienten, uden at afstødes.

    Der er flere faktorer, der gør terapeutisk kloning problematisk. For det første skal der bruges ét ubefrugtet æg pr. behandling. Det er et stort indgreb at udtage æg fra en kvinde, da det involverer en kraftig hormonbehandling og en ikke ufarlig operation. Samtidig er der store etiske problemer ved metoden. Det kernetransplanterede æg har jo muligheden for at udvikle sig til et barn, som er en klon af patienten, hvilket i høj grad kan misbruges. Af disse årsager er der en stor chance for, at terapeutisk kloning vil blive udkonkurreret af såkaldte inducerede pluripotente stamceller, som beskrives her.

    Figur 5. Terapeutisk kloning. Cellekernen fjernes fra en ægcelle og erstattes af kernen fra en patients kropscelle. Efter at ægcellen har fået den nye kerne, tror cellen. at den er befrugtet. Den vil derfor begynde at udvikle sig til en blastocyst. Fra blastocysten kan patientspecifikke embryonale stamceller nu isoleres. Disse celler har samme DNA som den oprindelige kropscelle.

    Det er forskernes håb, at iPS-celler kan bruges til at lave patientspecifikke stamceller (ligesom ved terapeutisk kloning). Det vil i så fald være muligt at lave iPS-celler fra en patient og bruge de dannede celler til behandling af den samme patient. Da cellerne har samme stregkode af overfladeproteiner, vil de ikke blive afstødt af immunforsvaret. Denne behandling vil være ideel, da den supplerer kroppen med celler, der ligner dens egne fuldstændigt. Behandlingen ser ud til at være terapeutisk kloning overlegen på flere punkter. Der bruges ikke etisk kontroversielle æg fra kvinder, der er ikke risiko for at nogen anvender metoden til at klone et menneske, og samtidig er det en helt ufarlig procedure at fjerne hudceller fra en patient, i modsætning til at fjerne æg.

    Der er dog en del komplikationer ved denne tankegang. For det første er det utrolig dyrt først at lave en patientspecifik iPS-celle, og derefter at udvikle den til en bestemt celletype (det samme gælder terapeutisk kloning). Når cellen skal bruges medicinsk, skal den igennem en stor mængde tests, der viser, at cellen ikke giver kræft, og at alt er, som det skal være. Det er dyrt, og vil på nuværende tidspunkt vare flere år pr. patient. Men et godt stykke ude i fremtiden kan det blive den ultimative behandling, hvis processerne fra hudcelle over stamcelle til terapeutisk celle kan udføres helt automatisk og sikkert. Det er dog vigtigt at understrege, at iPS-celler allerede på kort sigt har et stort potentiale til at erstatte embryonale stamceller (der ikke er patientspecifikke).

    iPS-celler har altså et utrolig stort potentiale, og hvis det viser sig, at de fuldstændigt kan erstatte embryonale stamceller, vil det betyde en revolution inden for forskningsområdet. I artiklen om etik diskuteres etiske problemstillinger omkring embryonale stamceller, og hvordan iPS-celler måske kan være løsningen på disse problemstillinger. Derudover diskuteres de nye etiske dilemmaer, som dannelsen iPS-celler skaber.

    Figur 7. En virus bruges til at overføre bestemte gener til en hudcelle. Det ses, hvordan hudcellen, efter at genet er indsat vha. virussen, laver en bestemt transkriptionsfaktor (protein). Når alle fire gener er indsat, bevirker de fire nydannede transkriptionsfaktorer, at cellen udtrykker mange nye gener, der omprogrammerer den til en celle, som i høj grad ligner en embryonal stamcelle.

    Kunstige stamceller fra hudceller

    Det er lykkedes forskere at lave såkaldte inducerede pluripotente stamceller (iPS-celler), og forsøgene er blevet gentaget flere steder over hele verden. iPS-celler er hudceller, der vha. gensplejsning omprogrammeres til celler, der i høj grad ligner embryonale stamceller. Dette kan lade sig gøre, fordi alle celler i kroppen (altså også hudceller) har det samme arvemateriale, men blot udtrykker forskellige gener. Det er forskernes håb, at de etiske problemer omkring embryonale stamceller (beskrevet i sidste artikel) herved kan undgås, samt at det bliver langt nemmere at lave pluripotente stamceller.

    iPS-cellerne laves vha. en ret simpel procedure. Forskere har fundet frem til fire gener, der koder for bestemte transkriptionsfaktorer, der udtrykkes i embryonale stamceller. Disse fire gener indsættes i hudcellen vha. en modificeret virus. En virus virker ved at indsætte sine gener i en fremmed celle og overtage kontrollen over cellen. Det udnytter forskerne ved gennem gensplejsning at modificere en virus, så den indeholder et af de fire gener. De modificerede vira, bruges herefter til at indsætte de fire gener i hudcellen. Generne udtrykkes (transkripteres og translateres) herefter i hudcellen, hvorved den omprogrammeres, så den kommer til at ligne og opføre sig som en embryonal stamcelle. Der arbejdes i øjeblikket på at få indsat de fire gener på andre måder end med virus. Det skyldes, at generne kan blive indsat forkerte steder i DNAet, f.eks midt i gener der kontrollerer cellens vækst, hvilket kan fører til uhæmmet cellevækst og dermed kræft.

    Figur 6. Dannelse af inducerede pluripotente stamceller (iPS-celler). Bestemte gener indsættes i hudceller, hvilket omprogrammerer dem til at blive til pluripotente stamceller. Den inducerede pluripotente stamcelle (iPS-celle) der dannes, udviser store ligheder med embryonale stamceller fra et foster.

    Et af de store perspektiver i stamcelleterapi er, at der er mulighed for at helbrede mange helt forskellige sygdomme, med den samme teknologi. I denne artikel præsenteres en del af de sygdomme, forskere forsøger at helbrede vha. stamcelleterapi. Diabetes bliver brugt som udgangspunkt for denne beskrivelse. De seneste år er der opstået en del private stamcellebanker, der tilbyder at opsamle navlestrengsstamceller fra nyfødte. Det diskuteres til slut, hvor relevante disse banker er, og hvad eksperterne mener om dem.

    Stamcelleterapi af sygdomme

    Her præsenteres nogle af de mest lovende anvendelser af stamcelleterapi til behandling af sygdomme. Fælles for de fleste af sygdommene er, at patienten efter noget tid vil afstøde de transplanterede celler. Forskning i metoder til at skabe tolerance i patienten (som beskrevet i foregående artikel), er derfor særdeles relevant. En levende pacemaker

    En pacemaker virker ved løbende at sende elektriske impulser ind i hjertet, da dette har mistet evnen til selv at igangsætte sammentrækningerne. Ved rene tilfældigheder har forskere observeret, at stamcellekulturer pludselig differentierer sig til hjerteceller, der banker i en petriskål. Derfor er det planen, at disse celler skal transplanteres, og det er håbet, at de kan sørge for at hjertet slår, uden at patienten behøver en elektrisk pacemaker.

    Leukæmi – kræft i de knoglemarvsstamceller, der danner blodceller

    Det er voksne stamceller i knoglemarven, der laver alle blodceller. Blodceller har en kort levetid, hvorefter de udskiftes af nye blodceller lavet i knoglemarven. Ved at udskifte den kræftramte knoglemarv med en ny lavet fra stamceller, er forskere i stand til at helbrede leukæmi – alle de nydannede blodceller vil være normale.

    Blodpropper undgås

    I dag forebygges og helbredes blodpropper, ved at indoperere et lille gitter, der udvider den ramte blodåre. Gitteret er dækket med kemikalier, der medfører, at kroppens immunforsvar først nedbryder gitteret efter længere tid. Men ved i stedet at dække gitteret med voksne stamceller fra patienten selv, er det forskernes håb, at de kan få kroppen til ikke at frastøde gitteret, så det kan blive der resten af patientens levetid.

    Parkinsons og Alzheimers sygdom

    Både Parkinsons og Alzheimers sygdom er sygdomme i hjernens nerveceller. Der forskes meget i at differentiere stamceller til nye nerveceller, som kan transplanteres og erstatte de syge eller døde nerveceller, der er årsagen til disse sygdomme.

    Lamme går og blinde ser

    Der er udført succesfulde forsøg på lamme mus, hvor nerveceller, lavet fra stamceller, transplanteres ind i rygmarven. Herved genvinder musene  førligheden. Forskerne håber, at samme metode kan bruges på mennesker.

    Det er også lykkedes forskere at lave bestemte øjenceller fra stamceller. Disse celler er herefter transplanteret ind i blinde rotter, hvorefter nogle af dem har genvundet synet. Næste skridt er også her at gøre behandlingen så sikker, at den kan prøves ved kliniske test på mennesker.

    Stamceller som forskningsværktøj til udvikling af nye lægemidler

    Et andet stort potentiale ved stamceller er muligheden for at anvende dem til at identificere og teste nye lægemidler. Stamcelleforskningen åbner op for produktion af ubegrænsede mængder af forskellige ‘raske og syge’ celletyper. Ved at teste forskellige stoffers effekt på sådanne celletyper, kan de anvendes som et værktøj til at screene for nye lægemidler. Samtidig vil cellekulturene kunne bruges til at teste effekt og sikkerhed i udviklingen af nye lægemidler, før de indledende kliniske forsøgsbehandlinger af mennesker sættes i gang.

    Case: Celleterapi af diabetes

    Som beskrevet i artiklen Blodsukkerregulering og diabetes, er diabetes en af de største og mest dræbende sygdomme på verdensplan: ca. 250 mio. mennesker har diabetes, og sygdommen dræber en person hvert 10. sekund. Især de senkomplikationer, der opstår efter mange år med diabetes, er slemme, og de opstår trods den nuværende behandling med insulinindsprøjtninger. Derfor forskes der intensivt i at helbrede diabetes, og mange forskere mener at celleterapi er løsningen.

    Ved celleterapi af diabetes, indsprøjtes betaceller (eller Langerhanske øer: klumper af betaceller) i portalvenen, der leder blod fra indvoldene til leveren, hvorefter de sætter sig fast i små klumper i leveren. Selv om betacellerne ikke sætter sig i bugspytkirtlen, hvor de normalt sidder, vil de stadig udføre deres funktion: udskille insulin, når blodglukosen er høj. Det er lykkedes at lave celleterapi med betaceller fra hjernedøde donorer. Den første virksomme metode til dette kaldes Edmonton protokollen. Efter at patienterne har fået de nye betaceller, opretholdes der et normalt glukoseindhold i blodet, uden at patienten skal tage insulinindsprøjtninger – patienten er helbredt mht. blodsukkerregulering! Men patienterne skal til stadighed tage medicin, som dæmper immunsystemet, for at undgå en afstødning af det nye væv.

    Der er dog en del forhindringer, som skal overvindes, før behandlingen kan bruges på mange mennesker. For det første skal der bruges 2-3 donorer for at få betaceller nok til én transplantation, da det ikke er alle betacellerne, der kan isoleres. Det medfører, at der slet ikke er nok donorer til at helbrede de mange diabetespatienter, der ville få glæde af en transplantation. Med den nuværende teknik ses det dog også, at effekten af transplantationen aftager efter nogle år. Efter fem år er der med den nuværende teknik kun ca. 7,5 %, der stadig kan klare sig uden de daglige insulinindsprøjtninger. Disse patienter har dog langt mindre risiko for at få hypoglykæmi.

    Figur 1. Celleterapi med betaceller fra en donor. (1) En rask bugspytkirtel fjernes fra en nyligt død eller hjernedød donor. (2) Betacellerne isoleres fra bugspytkirtlen, ved at bruge et enzym, der løsner alle cellerne fra hinanden. (3) De isolerede celler indsprøjtes i portalvenen på diabetes-patienten. (4) Betacellerne sætter sig fast i små klumper i leveren, ved de små forgreninger, der er på portalvenen. Herfra kan de udføre deres funktion: at opretholde blodsukkerbalancen, og dermed helbrede patienten for diabetes.

    Hypoglykæmi undgås

    En af de allerværste gener ved insulinbehandling af diabetes er hypoglykæmi (for lavt blodsukker). Denne komplikation opstår ved en overdosis af insulin og kan være livsfarlig. Hjernen kræver en konstant forsyning af blodsukker, og meget alvorlig hypoglykæmi kan sammenlignes med en strømafbrydelse af en computer. Hypoglykæmi kræver akut handling i form af sukkerindtag eller behandling med insulinets ”mod-stof”, glukagon. Heldigvis kan mange diabetespatienter mærke, at de går i ”hypo”. De kan så nå at reagere eller få hjælp. Desværre er der grupper af patienter, der mister denne evne til at registrere, at de får et hypoglykæmisk anfald. Sådanne patienter kan måske karakteriseres ved, at de slet ikke har nogen egen insulinproduktion tilbage. Denne type patienter har haft meget positive erfaringer med Edmonton protokollen, fordi de genvinder evnen til at registrere hypoglykæmiske anfald, også selv om de efter nogen tid skal genoptage insulinbehandling. Det er dog diskutabelt, om den gavnlige effekt af en transplantation er stor nok til at opveje de risici, der er forbundet med den immunosuppressive behandling. Der arbejdes derfor på at forbedre den langvarige effekt af en transplantation, og et af forskningsfelterne er celleterapi med stamceller.

    Figur 2. Forskerne har endnu ikke lavet en fuldt differentieret betacelle i laboratoriet. Det er dog lykkedes at lave umodne betaceller, der svarer til cellerne i et 6-9 uger gammelt foster. Alle cellerne er beskrevet ved en bestemt transkriptionsfaktor, som skal være udtrykt, for at cellen kan videredifferentiere sig mod en betacelle. Det er lykkedes forskerne at lave stamceller til neurogenin3-positive celler (ngn3), hvilket ville være et vigtigt skridt på vejen mod at danne fuldt funktionelle betaceller.

    Stamcelleterapi af diabetes

    Den store mangel på donorer har vendt forskernes blik mod andre kilder til de insulinproducerende betaceller. Det er især muligheden for at differentiere stamceller til funktionelle betaceller, der optager forskerne. Denne metode forventes at kunne bruges medicinsk inden for en overskuelig årrække. Ved at lade stamcellerne vokse i store tanke, opnås mulighed for en produktion i stor skala af betaceller til medicinsk brug. Det er målet, at de producerede betaceller skal indsprøjtes i portalvenen, på samme måde som betaceller fra donorer transplanteres vha. Edmonton protokollen.

    Det er endnu ikke lykkedes forskerne at lave fuldt funktionelle betaceller fra stamceller, men et stort gennembrud kom med transplantationen af stamceller differentieret til celler, der er et forstadie til betaceller. Cellerne er således differentieret til det stadie hvor de udtrykker neurogenin3, hvilket svarer til cellerne i et 6-9 uger gammelt foster. Det er endnu ikke lykkedes forskerne at finde de signalstoffer, der kan lave neurogenin3-positive celler om til betaceller. Cellerne i deres umiddelbare form, udviste kun meget få ligheder med betaceller, og kunne ikke bidrage til at opretholde et normalt blodsukker. Alligevel indopererede forskerne cellerne i mus med diabetes. Det viste sig, at cellerne modnede i musen, og efter 3 måneder var de differentierede til funktionelle menneske-betaceller. Det vil altså sige, at de udifferentierede celler der indsprøjtes, påvirkes af de signalstoffer, der findes i musen. Herefter differentierer de sig i den rigtige retning: til betaceller. Cellerne, der var et forstadie til betaceller, kunne altså bruges til at helbrede musen for diabetes.

    Som tidligere beskrevet (se Celleterapi og udviklingsbiologi) skal det være helt sikkert, at den terapeutiske cellekultur, der indsprøjtes, ikke indeholder nogen stamceller. I dette forsøg fik 10-15% af forsøgsmusene kræft, hvilket tyder på, at der har været udifferentierede stamceller blandt de indsprøjtede terapeutiske celler. Samtidig tydeliggør det behovet for at lave fuldt differentierede betaceller i stedet for disse udifferentierede celler.

     

    Voksne stamceller i bugspytkirtlen?

    Det har været meget diskuteret, om der findes en voksen stamcelle i bugspytkirtlen, som er i stand til at lave betaceller. Det er lykkedes forskerne at vise, at det højst sandsynligt er tilfældet, hvilket måske kan give nye muligheder for behandlingen af diabetes. Her beskrives, hvordan forskerne har fundet frem til eksistensen af disse celler, og hvordan denne viden kan bruges.

    Som beskrevet tidligere, udskiller bugspytkirtlen både hormoner fra de endokrine celler og fordøjelsesenzymer fra de exokrine celler.

    Figur 3. Umodne forstadier til betaceller kan helbrede diabetes i mus. Stamceller differentieres til neurogenin3-positive celler, der indsprøjtes i portalvenen i mus. Cellerne modner  bl.a. til betaceller i musen, hvilket helbreder den for diabetes. Af grafen ses, at blodglukosen falder eftersom de umodne celler modnes til betaceller. Blodglukosen stabiliseres og de små udsving er normale og skyldes måltider m.m. For at vise at det virkelig var de indsprøjtede celler, der helbredte musen, fjernedes de igen, hvorefter blodglukosen som ventet steg dramatisk. Kilde: C. Ricordi & H. Edlund: Toward a renewable source of pancreatic beta-cells. Nature Biotechnology 26, 397–398 (2008).

    I et eksperiment på mus snørede forskerne en af forgreningerne på udgangen fra de exokrine celler til tolvfingertarmen sammen, og undersøgte hvilken indflydelse dette havde på bugspytkirtlen. Der skete det meget interessante, at mange af cellerne begik kontrolleret selvmord, så de farlige fordøjelsesenzymer ikke blev udskilt i vævet, som de ellers ville ødelægge.

    Bugspytkirtlen gik herefter delvist tilbage til et stadie, der lignede det, der ses i fostre. Derefter begyndte de strukturelle celler i bugspytkirtlen at dele sig og danne nye udførselsgange, indtil der igen kunne etableres forbindelse til tarmen. I forbindelse med denne genetablering  begyndte cellerne igen at udvikle sig og danne alle de celler, der udgør bugspytkirtlen, heriblandt betaceller. Fordi det kan lade sig gøre at danne disse helt nye betaceller, konkluderes det, at der må være voksne stamceller til stede. For at være sikker på at dette virkelig er tilfældet, transplanteres nogle af de formodede bugspytkirtelstamceller over i forstadiet til bugspytkirtlen i musefostre. Her udviklede de sig til fuldt funktionelle betaceller under påvirkning af de signalstoffer, der findes i det udviklende foster. Forskerne mener at det beviser, at disse stamceller virkelig var voksne bugspytkirtelstamceller.

    Det er et oplagt mål for forskerne at prøve at påvirke disse stamceller til at lave nye betaceller i patienter med diabetes. Der er dog stadig utrolig mange ting, forskerne først skal finde ud af: Findes disse stamceller overhovedet i diabetespatienter i tilstrækkelige mængder til, at det kan bruges medicinsk? Hvilke faktorer påvirker bugspytkirtlen til at gå tilbage til et fosterlignende stadie, og hvilke signalstoffer får de voksne stamceller i bugspytkirtlen til at differentiere sig til betaceller? Her vil det være utrolig givende, at studere hvordan bugspytkirtlen udvikler sig i fostre for at finde frem til de rigtige signalstoffer. De dannede celler vil være magen til patientens egne betaceller, så immunosuppresiv behandling kan undgås.

    Indkapsling af transplanterede betaceller i en nanomembran.

    Ligesom med alle andre transplantationer, er det et stort problem, at de transplanterede celler afstødes af patientens immunforsvar. Forskerne forsøger at manipulere patientens immunforsvar, vha. metoderne beskrevet i den foregående artikel. Imidlertid er patientspecifikke stamceller ikke anvendelige over for type 1 diabetes, da de transplanterede celler her vil blive slået ihjel som patientens egne.

    Derfor forsøges det at indkapsle betaceller i en uskadelig men stærk membran, så immunforsvaret ikke kan komme i kontakt med dem. Det er lykkedes at indkapsle betaceller i en såkaldt PEG-membran, og at transplantere cellerne til den væske, der ligger mellem tarmene. Denne væske er i forbindelse med blodbanen, og betacellerne kan derfor regulere koncentrationen af glukose i blodet. Der er dog flere problemer forskerne skal klare. Det kan ske, at overfladen af membranen bliver dækket med immunceller eller bindevævsceller. De kan ikke komme til betacellerne, men blokerer for at stoffer kan passere membranen. Vha. nanoteknologi forsøger forskerne derfor at lave en overflade på membranen, så andre celler ikke sætter sig fast. Behandlingen virker ret godt på mus, men der er store problemer med at overføre teknikken til mennesker. Selv om immunforsvaret i mennesker og mus ligner hinanden meget, er der forskelle. Behandlingen forventes at kunne bruges sammen med betaceller lavet fra stamceller, hvis det lykkes at få den til at fungere i mennesker.

    Figur 4. Betaceller indkapsles i en nanomembran og placeres mellem tarmene. Da væsken mellem tarmene er i forbindelse med blodbanen, kan betacellerne regulerer blodsukkeret herfra.

    Tvivlsomme forskningsresultater

    Der er opnået mange lovende resultater inden for stamcelleforskningen, men det er vigtigt at være kritisk over for de forskningsresultater, der præsenteres. Mange af de forskningsresultater som publiceres (også i meget ansete tidsskrifter), kan ikke altid gentages i andre laboratorier. Desuden er de konklusioner, der drages fra et eksperiment, ikke altid velunderbyggede nok. I stamcelleforskningen er det f.eks. lykkedes forskere at skabe nerveceller fra stamceller, og denne viden er blevet brugt til at forsøge at skabe betaceller. Der er nemlig en hel del ligheder mellem nerveceller og betaceller, men det er blevet klart, at dette ikke betyder, at de er udviklet fra de samme fosterceller.

    Der er lavet betacellelignende celler ved først at lave nervecelle-forstadier, men der er i forskningsverdenen stor skepsis over for om disse celler virkelig er betaceller. Et stort problem er, at der bruges insulin til at differentiere cellerne, og det kan ikke bevises, at det insulin cellerne udskiller i deres færdige form, ikke blot er optaget fra mediet på et tidligere stadie. I forskningen bliver der derfor lagt vægt på at bevise, at cellerne virkelig producerer insulin, og at de gør det som reaktion på glukosekoncentrationen omkring dem. Dette er et eksempel på, hvor vigtigt det er, at alle muligheder overvejes, når et eksperiment designes. Det er essentielt, at det overvejes, om det der konkluderes ud fra et forsøg, kunne skyldes andre faktorer, end dem man umiddelbart regner med. Det skal understreges, at alle de forsøgsresultater der er præsenteret her, er anerkendte i forskningsverdenen og mulige at gentage i forskellige laboratorier.

     

    Urealistiske behandlinger og plattenslagere

    Det store håb om at stamceller vil kunne kurere en lang række sygdomme, betyder, at der er mange, som forsøger at tjene penge på behandlinger, der ikke er gennemtestede, eller som slet ikke virker. Det er blevet populært at tage til Kina eller Korea for at få behandlinger med stamceller. Det diskuteres løbende om disse behandlinger virker. I nogle tilfælde udføres ingen egentlig behandling, eller også udføres der ikke-godkendte forsøg på mennesker, snarere end behandlinger. Det er endnu ikke lykkedes forskere at lave stamcellebehandlinger, der er gennemtestede nok til at kunne bruges på mennesker med de kriterier der findes i de fleste vestlige lande. Men forskerne er klar med tilbud til meget syge patienter uden andre behandlingsmuligheder, der får tilbudt at deltage i godkendte eksperimentelle behandlinger, hvor patienterne er fuldt oplyst om de risici, behandlingen indebærer.

     

    Private stamcellebanker til navlestrengsstamceller

    De seneste år er der opstået en del private stamcellebanker, der tilbyder at opsamle navlestrengsstamceller fra nyfødte. På nuværende tidspunkt er der ganske få behandlinger, cellerne kan bruges til. Især vil de være anvendelige til behandling af leukæmi hos søskende eller andre nært beslægtede personer. Ved behandlingen ødelægges den kræftramte knoglemarv, hvorefter navlestrengsstamcellerne transplanteres. Men selv til behandling af en søskende, er der kun 1/4 chance for et match, og det sker næsten aldrig, at en person bliver behandlet med sine egne stamceller. Overlæge ved Rigshospitalets blodbank, Ebbe Dickmeiss har udtalt til Ingeniøren: ”Det er som at sælge byggegrunde på Mars. Sandsynligheden for, at man får brug for dem, er lige så ringe” og ”Den private, forretningsmæssige nedfrysning er vitterligt bondefangeri”. Der bliver ofte argumenteret med, at navlestrengsstamceller i fremtiden, vil kunne bruges til at helbrede sygdomme, ofte med henvisning til mange af de perspektiver der findes i dette materiale. Men som præsenteret her, er det meget sandsynligt, at der slet ikke bliver brug for navlestrengsstamceller, fordi det bliver muligt at bruge embyonale stamceller, iPS-celler eller voksne stamceller til behandlingerne. Professor Peter Hokland fra Århus Sygehus udtaler til Ingeniøren, at han gætter på, at sandsynligheden for at navlestrengsblodet i en privat stamcellebank kommer i brug, er 1 ud af 50.000. Eksperterne peger også på, at navlestrengsstamceller ikke er unikke. Det er i dag muligt at udtage stamceller fra knoglemarven – både fra patienten og fra potentielle donorer – og derpå bruge dem til behandling af f.eks. leukæmi. Du kan læse mere om navlestrengsstamceller under links.

    Det er tydeligt at se, at der er et utrolig stort potentiale inden for behandlingen af mennesker med stamceller, og det er derfor også klart, at mange mennesker er villige til at opsøge tvivlsomme klinikker i udlandet. Det kræver meget forskning, før det er muligt at lave celleterapi, der virker tilstrækkelig godt, som er sikker nok, og som er etisk ansvarlig. Men der er ingen tvivl om, at det vil være arbejdet værd, hvis behandlingerne kommer til at fungere. Det vil have en meget stor effekt på livskvaliteten for rigtig mange mennesker og måske gøre det muligt at udrydde flere af de største og mest dræbende sygdomme som kræft, AIDS, Parkinsons sygdom og diabetes.

     

    Links:

    Stamcellebanker er som byggegrunde på Mars. Ingeniøren, 2005. http://ing.dk/artikel/62638

    Stamcellebanker meldt til Sundhedsstyrelsen. Politiken, 2007. http://politiken.dk/indland/article222627.ece

    I denne artikel beskrives en del af de etiske problemstillinger, der er omkring stamceller. Det beskrives, hvordan bioetik er en vigtig del af den bioteknologiske forskning, og hvordan det allerede nu er nødvendigt at tage stilling til mange ting, der for få år siden ville blive betegnet som science fiction. Den primære overvejelse drejer sig om, hvorvidt det er i orden at destruere et befrugtet æg, der i teorien kunne være blevet til et barn. Dette er på nuværende tidspunkt nødvendigt for forskningen i behandlinger, der potentielt kan helbrede mange millioner mennesker. Til sidst beskrives, hvilke love der regulerer stamcelleforskningen.

     

    Bioetik

    Inden for forskning er der grænser for, hvad der anses for etisk ansvarligt at gøre. Det mest grundlæggende princip der gør sig gældende er, at det er uetisk at skade mennesker mod deres vilje, selv om det gøres for at gavne andre mennesker. De færreste er uenige i denne etiske regel, som anses for en menneskerettighed. Derfor drejer de etiske overvejelser omkring stamceller sig om, hvorvidt et befrugtet æg kan anses for at være et menneske, der dermed har en iboende og ufravigelig ret til at leve.

     

    Har et befrugtet æg, en iboende ret til at leve?

    Når embryonale stamceller udtages, går en blastocyst, der potentielt kunne være blevet til et barn, til grunde. Det er her vigtigt at understrege, at de embryonale stamceller der eksperimenteres på, ikke har muligheden for at udvikle sig til et nyt menneske. Det kan kun det befrugtede æg og cellerne fra de allerførste celledelinger.

    Det vigtigste etiske spørgsmål er som beskrevet, om en celleklump, der kun er få dage gammel, kan betegnes som menneskeligt liv. Der er tre grundholdninger:

    1.   Det humane embryo har ingen iboende ret til liv og dermed beskyttelse. Det har kun den værdi, som det tilskrives af andre (i modsætning til et menneske).

    2.   Det humane embryo har en iboende ret til liv og dermed en ufravigelig ret til at leve fra det øjeblik, det dannes (når ægget befrugtes).

    3.   Det humane embryo begynder med ingen eller næsten ingen ret til liv og beskyttelse, og får gradvist højere status gennem udviklingen.

    At det humane embryo ikke har nogen ret til liv, kan begrundes på flere forskellige måder. Der argumenteres for, at da fosteret er afhængigt af moderen for at kunne overleve, kan det ikke anses for at være en selvstændig organisme. Flere etikere bruger en metafor, hvor fosteret ses som en parasit (snylter) på moderen. Fosteret skal altså først beskyttes i det øjeblik, det er født. Personer der har denne holdning, mener ikke, at der er nogen etiske problemer ved at bruge embryoer i forskningen.

    Holdningen, at det humane embryo har en iboende ret til liv, er begrundet med, at der dannes en person i det øjeblik æg og sædcelle smelter sammen. Med denne holdning sidestilles embryoet med en baby, trods de store forskelle mellem en celleklump bestående af få celler, og en baby der kan føle smerte og indgå i samfundet. Med denne holdning er brugen af embryoner i forskning, der medfører en destruktion af embryonet, det samme som at ofre et hjælpeløst, sårbart menneske for forskningens skyld.

    Mange filosoffer og videnskabsmænd har argumenteret for, at fosteret gradvist får mere ret til liv og beskyttelse, mens det udvikler sig. Der argumenteres for, at udviklingen af fosteret repræsenterer, hvis ikke besjæling så i hvert fald en udvikling af muligheden for at deltage i verden som et menneske. Der er blevet argumenteret for, at et foster har samme ret til liv som et født menneske i det øjeblik, hvor det er i stand til at klare sig uden for livmoderen. Problemet med denne holdning er, at dette tidspunkt hele tiden ændrer sig, efterhånden som lægerne bliver bedre til at få for tidligt fødte børn til at overleve. Kan det være rigtigt, at fosterets ret til liv afgøres af, hvor langt teknologien er fremme, og ikke er en iboende ret, der opstår ved et bestemt stadie i fosterets udvikling?

    Etikerne har også påpeget nogle problemer ved, at et embryo har en iboende ret til liv. I England er det f.eks. kun lovligt at bruge embryoer, indtil de er 14 dage gamle. Dette er baseret på følgende: Tvillinger kan dannes fra et enkelt embryo op til den 14. dag efter befrugtningen. Derfor er der ikke tale om et individ inden da, og kun individer har ret til liv. Inden for bioteknologien er det lige nu muligt at lave et embryo af to forskellige arter, f.eks. et menneske og en mus. Embryoet kan ikke udvikle sig til et levende væsen, men har det alligevel rettigheder?

    I retssystemet har fostre historisk set ikke haft nogen rettigheder. Således kan man ikke dømmes for at gøre skade på fosteret, ved at moderen f.eks tager skadelige stoffer, drikker store mængder alkohol eller lignende. Hvis man udsatte en født baby for en lignende behandling, ville retssystemet træde ind. Retssystemet er nødt til at tage stilling til, hvornår der er tale om et individ, der skal beskyttes af loven i forbindelse med stamcelleforskning. Som ovenfor beskrevet mener nogen jo, at stamcelleforskning kan sidestilles med forsøg på mennesker med døden til følge, hvilket er en sag, hvor retssystemet klart skal gribe ind. Det er meget svært for højesteretsdommere i forskellige lande, at give klare definitioner på hvordan sagerne skal behandles. Normalt i juridiske sager der har en videnskabelig baggrund, rådføres ”eksperter på området”. Men det er meget uklart, hvem der kan betegnes som eksperter på dette område, og selv hvis det lykkes, er der stor uenighed eksperterne imellem. Derudover skal et meget grundlæggende spørgsmål overvejes: skal det overhovedet være lovligt at udføre eksperimenter med embryonale stamceller?

    På grund af det store potentiale for at helbrede mange af de mest udbredte sygdomme er det en utrolig svær debat. Hvis samfundet beslutter, at det er uetisk at forske i embryonale stamceller, vil det måske betyde at mange millioner mennesker, der ellers kunne være helbredt, må dø.

     

    Hvad er lovligt?

    I Danmark og de fleste andre lande er det lovligt at lave forskning med embryonale stamceller, der er blevet tilovers fra kunstig befrugtning, ”hvis forsøgene ved anvendelse af befrugtede æg og stamceller herfra har til formål at opnå ny viden, som vil kunne forbedre mulighederne for behandling af sygdomme hos mennesker”. Det er Det Etiske Råd, der laver anbefalinger om udformningen af love, hvor etiske overvejelser har stor betydning.

    Baggrunden for lovgivningen er, at selv hvis embryoerne har en ufravigelig ret til at leve, er de alligevel dømt til at dø, eftersom de er blevet tilovers fra fertilitetsbehandlinger. Da de alligevel skal destrueres, findes det i orden at bruge celler fra dem til eksperimenter. Som modargument kan anføres, at det er det samme som at udtage organer og celler fra dødsdømte forbrydere. Hvis de alligevel er dømt til at dø, kan de lige så godt komme resten af menneskeheden til gode ved at deres krop anvendes til forskning og transplantation – et udsagn, mange mener, er etisk uansvarligt. Det er i denne sammenhæng vigtigt at huske, at der ikke er noget der tyder på, at embryoner kan føle smerte eller lide som et menneske, så det kan diskuteres, om det betyder noget, under hvilke omstændigheder de bliver destrueret. Det kan til gengæld være et dilemma at man med forskningen ikke giver embryonet lov til at ”dø i fred” men i stedet for giver det ”evigt liv” som cellekultur.

    Figur 1. Det er kun lovligt at bruge embryonale stamceller, der er blevet tilovers fra kunstig befrugtning. De befrugtede æg, der bliver tilovers efter kunstig befrugtning, må bruges i forskningen, da de ellers skal kasseres. Det er ikke tilladt at befrugte æg alene til forskningsformål.

    Etisk mindre problematiske alternativer til embryonale stamceller

    Med de store etiske problemstillinger er det klart, at man prøver at finde andre typer stamceller, der ikke kommer fra et fosteranlæg. Det er en af bevæggrundene til at bruge voksne stamceller. Derfor er det et stort gennembrud, at det nu tyder på, at der er voksne stamceller i bugspytkirtlen, der kan blive til betaceller. Men det er langt fra alle områder, hvor det er muligt at bruge voksne stamceller i stedet for embryonale. Derfor er skabelsen af inducerede pluripotente stamceller (iPS-celler), som tidligere beskrevet, måske muligheden for helt at undgå de etiske problemer omkring embryonale stamceller. Det er de færreste mennesker, som synes, der er etiske problemer ved at anvende iPS-celler lavet fra hudceller, så måske er det løsningen, der gør alle tilfredse. Inden man kaster sig ud i at udråbe iPS-cellerne som fremtidens etisk uproblematiske stamceller, er der dog en række forhindringer.

    For det første vides det endnu ikke, om iPS-celler virkelig har helt de samme egenskaber som embryonale stamceller, selv om alt tyder på det. Måske finder forskerne ud af, at cellerne giver kræft, eller har andre uhensigtsmæssige langtidsvirkninger. Derudover er det blevet klart, at iPS-celler skaber en behov for en række nye etiske overvejelser, som præsenteres nedenfor.

    Det forventes, at både et æg og en sædcelle vil kunne laves af iPS-celler fra en mand. Resultatet ville ikke være en identisk klon, fordi der sker en rekombination af DNA’et, når der dannes kønsceller, men det ville være meget underligt og potentielt farligt. Disse iPS-kønsceller vil dog også kunne være til stor gavn mht. kunstig befrugtning. F.eks. vil der kunne laves sædceller fra en mand uden testikler! Derudover vil det i princippet være muligt for et homoseksuelt par at få biologiske børn sammen. Fra den ene mands hudceller laves et æg, fra den andens en sædcelle, og det befrugtede æg sættes op i en rugemor. Det ser dog umiddelbart ikke ud til at være muligt for lesbiske par, da kvinder ikke har et Y-kromosom, der er nødvendigt for at lave sædceller. Der er dog nogle år til, at en sådan behandling vil kunne bruges medicinsk, da det er utrolig svært at lave funktionelle æg- og sædceller fra iPS- eller embryonale stamceller. Men forskerne er overbeviste om, at det blot er et spørgsmål om tid, før det kan lykkes i forsøgsdyr. Imidlertid er det tvivlsomt, om behandlingen bliver udviklet til mennesker, da det næsten ikke kan undgås, at der fødes en del misdannede børn, som følge af eksperimenterne, inden teknologien er på plads. Det er tvivlsomt om disse forsøg vil blive godkendt som etisk forsvarlige. Men det er muligt at dette problem vil kunne løses vha. af tekniske forbedringer i fremtiden.

    Flere forskere pointerer også, at det vil være nærliggende at foretage ændringer i stamcellernes arvemasse ved at ændre sygdomsramte gener eller måske forbedre egenskaber hos det kommende barn. Der kan f.eks. ændres på gener, der menes at have indflydelse på intelligens og musikalitet. Det Etiske Råd understreger, at det bestemt ikke er for tidligt at diskutere disse perspektiver.

    Figur 2. To mænd kan måske få biologiske børn i fremtiden.

    Et andet problem ved iPS-celler er, at det er langt sværere at kontrollere, hvilke eksperimenter der bliver udført med dem end med embryonale stamceller. Det er en kompliceret operation, der skal til for at få fat i embryonale stamceller, mens iPS-celler laves relativt nemt fra hudceller. Derfor er det langt nemme for ”gale videnskabsmænd” at lave etisk uansvarlige eksperimenter.

    Et science fiction fremtidsscenarie kunne være, at det var muligt at få børn med andre mennesker blot ved at få fat i deres hudceller. F.eks. kunne Brad Pitts hudceller, fået fra et håndtryk med en fan, laves til sædceller i laboratoriet og bruges til kunstig befrugtning.

    Det Etiske Råd understreger løbende, at det er vigtigt, at der allerede nu tages stilling til spørgsmålene præsenteret i denne artikel. Det er ikke science fiction, men højst sandsynligt en realitet inden for en overskuelig fremtid.

    BEMÆRK: I opgaverne tilknyttet projektet, findes en diskussionsopgave, der kan bruges efter læsningen af denne artikel: Opg. 5. ”Mail om iPS celler”.

     

    Links:

    Æg og sæd fremstillet fra stamceller, Det Etiske Råd 

    Novo Nordisk om Bioetik i relation til stamceller (engelsk)

    Novo Nordisk holdning til stamceller (engelsk)

    Figur 3. Gensplejsede børn. I fremtiden bliver det måske muligt for forældre at vælge, hvilke egenskaber de ønsker, deres børn skal have. Ud over de viste kan man forestille sig at modificere gener for eksempelvis intelligens eller atletiske evner.

    Nedenfor findes de væsentligste bøger og artikler som dette materiale er baseret på:

    Cyranoski, D. Stem cells: 5 things to know before jumping on the ips bandwagon. Nature 452, 406–408 (2008 Mar 27).

    Docherty, K., Bernardo, A. S. & Vallier, L. Embryonic stem cell therapy for diabetes mellitus. Semin Cell Dev Biol 18, 827–838 (2007 Dec).

    Dor, Y. & Melton, D. A. Facultative endocrine progenitor cells in the adult pancreas. Cell 132, 183–184 (2008 Jan 25).

    Fairchild, P. J., Cartland, S., Nolan, K. F. & Waldmann, H. Embryonic stem cells and the challenge of transplantation tolerance. Trends Immunol 25, 465–470 (2004 Sep).

    Jorgensen, M. C. et al. An illustrated review of early pancreas development in the mouse. Endocr Rev 28, 685–705 (2007 Oct).

    Liu, S. V. ips cells: a more critical review. Stem Cells Dev 17, 391–397 (2008 Jun).

    Lodish, H. et al. Molecular Cell Biology 6th edition. Chapter 22: The molecular biology of development (2008).

    Lowry, W. E. et al. Generation of human induced pluripotent stem cells from dermal fibroblasts. Proc Natl Acad Sci U S A105, 2883–2888 (2008 Feb 26).

    Madsen, O. D. & Serup, P. Towards cell therapy for diabetes. Nat Biotechnol 24, 1481–1483 (2006 Dec).

    Madsen, O. D. Pancreas phylogeny and ontogeny in relation to a ’pancreatic stem cell’. C R Biol 330, 534–537 (2007 Jun-Jul).

    Madsen, O. D. Stem cells and diabetes treatment. APMIS 113, 858–875 (2005 Nov-Dec).

    McGee, G., Philpott, S., Kuhn, V., Robertson-Kraft, C. & Patrizio, P. Bioethics in embryonic research. Encyclopedia of Life Sciencesl (2005).

    Najjar, S. Insulin action: Molecular basis of diabetes. Encyclopedia of Life Sciences (2001).

    Nielsen, O. H. & Borregaard, N. Transplantation: etik og stamceller. Ugeskrift for læger (2003).

    Ricordi, C. & Edlund, H. Toward a renewable source of pancreatic beta-cells. Nat Biotechnol 26, 397–398 (2008 Apr).

    Shapiro, A. M. et al. Islet transplantation in seven patients with type 1 diabetes mellitus using a glucocorticoid-free immunosuppressive regimen. N Engl J Med 343, 230–238 (2000 Jul 27).

    Thomson, J. A. et al. Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts. Science 282, 1145–1147 (1998 Nov 6).

    Xu, X. et al. Beta cells can be generated from endogenous progenitors in injured adult mouse pancreas. Cell 132, 197–207 (2008 Jan 25).

  • Opgaver og virtuelt laboratorium

    Til dette projekt er tilknyttet en øvelse og et virtuelt laboratorium. Øvelsen består af en række opgaver hvis besvarelser leder til opdagelsen af signalstoffer, der kan differentiere stamceller til flere forskellige celler. I det virtuelle laboratorium er det muligt at tilsætte forskellige stoffer til en stamcellekultur, og se hvordan cellerne udvikler sig.

    Det virtuelle laboratorium findes her. Åben med media player eller i browser.

    Opgaver og rapportvejledning findes her.

    Lærervejledning findes her

    Opgaverne baserer sig på de forsøg der foregår i forskningsverdenen, men både historien, forsøg og forsøgsdata er fiktive. Flere steder i materialet er der derfor faktaboxe, med fakta om det pågældende emne.

    DNA-sekvenser til brug i opgave 6 “Antisense RNA forsøg” findes her.

     

  • Ordforklaring

    Her findes en forklaring af de fleste vigtige ord fra teorimaterialet

    Aktivator: Et protein der kan binde til et DNA, og sørge for at bestemte gener bliver udtrykt (aktiveret).

    Alfa-celler: Hormonproducerende celler i bugspytkirtlen der udskiller glukagon.

    Antigener: Overfladeproteiner på en celle. Disse proteiner danner en slags stregkode, som immunforsvaret kan genkende.

    Betaceller: Hormonproducerende celler i bugspytkirtlen der udskiller insulin.

    Blastocyst: Når det befrugtede æg har delt sig og består af ca. 100 celler kaldes det en blastocyst. Fra den indre cellemasse i blastocysten udtages embryonale stamceller.

    Bugspytkirtel: Bugspytkirtlen sidder lige under mavesækken, og består af forskellige hormon- og enzymproducerende celler. Bl.a. fordøjelsesenzymer, insulin og glukagon produceres her.

    C-peptid: Den del af proinsulin-proteinet, der fjernes for at lave insulin. C-peptidet har ingen rolle efter det er skåret fra, men hjælper til at insulinmolekylet foldes rigtigt.

    Celleterapi: Terapeutiske celler indopereres eller indsprøjtes i blodet på en patient, for at behandle en sygdom.

    Dendritiske celler: En del af immunforsvaret hvor dens rolle er at identificere fremmede celler, og derefter aktivere andre immunceller.

    Diabetes 1: En sygdom karakteriseret ved højt blodsukker fordi betacellerne i bugspytkirtlen producerer ingen eller næsten ingen insulin. Dette skyldes normalt at betacellerne bliver angrebet af patientens eget immunforsvar (diabetes 1 er en autoimmun sygdom).

    Diabetes 2: En sygdom karakteriseret ved højere blodsukker end normalt fordi betacellerne i bugspytkirtlen ikke producerer nok insulin, eller fordi kroppens celler ikke reagerer normalt på insulinpåvirkning.

    Differentiere: At en celle differentierer sig til en ny celle betyder, at den deler sig og udvikler sig til en ny celletype, der er mere specialeret og har færre muligheder for at udvikle sig til nye celletyper.

    Ectoderm: Det ydre af de tre cellelag der opstår når det befrugtede æg har delt sig til det stadie der kaldes en gastrula. Udvikles til bl.a. hud og nerveceller.

    Embryo: Betegner stadiet fra et æg befrugtes til der er tale om et egentligt foster. Ofte sættes skillelinjen mellem et menneskeligt embryo og foster til 8. uge efter ægget befrugtes.

    Embryonale stamceller: Pluripotente stamceller taget fra den indre cellemasse af en blastocyst.

    Endoderm: Det indre af de tre cellelag der opstår når det befrugtede æg har delt sig til det stadie der kaldes en gastrula. Udvikles til bl.a. lunge-, tarm-, lever- og bugspytskirtelceller.

    ES-celler: Forkortelse for Embryonale Stamceller.

    GFP: Grønt Fluorescerende Protein. Lyser grønt når det bestråles med UV-lys. GFP-genet bruges meget som et såkaldt rapporter-gen – det afslører bestemte processer i cellen.

    Glukagon: Et hormon udskilt alfaceller i bugspytkirtlen, der stimulerer et øget blodsukker niveau – det har den omvendte virkning af insulin.

    Homeostase: Den præcist justerede balance mellem insulin og glukagon, der sørger for at blodsukkeret altid ligger på det rigtige niveau.

    Hypoglykæmi: Unormalt lavt blodsukker, ofte pga. for højt insulinindhold i blodet. Kan fører til at patienten besvimer.

    Immunosuppressive stoffer: Stoffer der undertrykker immunforsvaret. Bruges ofte for at sikre at transplanterede organer eller celler ikke afstødes af immunforsvaret.

    Inducerede pluripotente stamceller (iPS-celler): Kropsceller (fx hudceller) der er omprogrammeret til pluripotente stamceller.

    Insulin: Et hormon udskilt betaceller i bugspytkirtlen, der stimulerer et lavere blodsukker niveau, bl.a. ved at signalere at lever- og muskelceller skal optage og lagre glukose.

    Knockout-mus: En mus hvor et bestemt gen er fjernet (knock-out’et)

    Kræft: Når enkelte celler begynder at vokse ukontrolleret, og derved beskadiger raske celler i kroppen opstår kræft.

    Mesoderm: Det midterste af de tre cellelag der opstår når det befrugtede æg har delt sig til det stadie der kaldes en gastrula. Udvikles til bl.a. blodceller, knogleceller og muskelceller.

    Messenger RNA, mRNA: RNA der koder for proteiner. mRNA bringer koden for proteiner fra arvematerialet (DNA) til cytoplasmaet.

    Moderkage: Moderkagen supplerer via navlestrengen det udviklende foster med næring og ilt.

    Morula: Et embryo ca. 3-4 dage efter at ægget er befrugtet.

    Multipotent stamcelle: Stamceller der kan udvikle sig til nogle få nært beslægtede celletyper. F.eks. er der multipotente stamceller i knoglemarven der kan danne forskellige typer blodceller.

    Navlestrengsstamceller: Fra navlestrengen kan udtages stamceller magen til dem der findes i knoglemarven.

    Neurogenin3 (Ngn3): En transkriptionsfaktor der specifikt er aktiv i de fosterceller der senere differentierer sig til cellerne i bugspytkirtlen.

    Osmose: Vand vil bevæge sig mod høje koncentrationer af glukose og andre molekyler. En høj sukkerkoncentration uden for cellerne trækker vand ud, mens en lavere sukkerkoncentration uden for end inden i cellen, trækker vand ind i cellerne.

    Patient-specifikke celler: Celler der er identiske med patientens egne celler, og som derfor ikke afstødes af immunforsvaret.

    Pdx1: En transkriptionsfaktor der specifikt er aktiv i de fosterceller der senere differentierer sig til cellerne i bugspytkirtlen.

    Pluripotent stamcelle: Stamceller der kan differentiere sig til alle celler i organismen. Dog kan pluripotente stamceller ikke differentiere sig til navlestreng og moderkage.

    Proinsulin: Proinsulin kan omdannes til insulin, ved at der fraskæres et stykke af proinsulinmolekylet. Dette sikrer at insulinmolekylet foldes rigtigt.

    Repressor: En repressor kan binde sig til DNA og deaktivere bestemte gener. Når repressoren er bundet til et bestemt gen bliver det derfor ikke udtrykt.

    Reproduktiv kloning: En kerne fra en kropscelle indsættes i et æg hvor kernen er fjernet. Ægget tror herefter at det er befrugtet, og vil udvikle sig til et foster. Dette foster bliver til en klon af patienten der donerede kropscellen, da det har stort set det samme DNA.

    Senkomplikationer af diabetes: Hvis blodsukkeret ikke reguleres helt præcist, opstår der senkomplikationer, som først viser sig efter flere år. Symptomer kan komme ved båe type 1 og type 2 diabetes, og inkluderer bl.a. blindhed, nyresvigt, sår der ikke heler, koldbrand og blodpropper i hjerne og hjerte.

    Signalprotein: Et protein der sender et signal til bestemte celler. Signalstoffet virker ved at binde sig til receptorer på overfladen af bestemte celler, hvorefter det udløser en reaktion inden i cellen.

    Stamcelle: En stamcelle er en celle, der kan differentiere sig (dele sig og udvikle sig) til mange forskellige celletyper i kroppen.

    Stamcelleterapi: Brugen af stamceller til at helbrede sygdomme ved at erstatte syge eller døde celler i en patient.

    Sukkersyge: Diabetes kaldes også sukkersyge, og opstår når blodsukkeret ikke reguleres rigtigt. Diabetespatienter danner for lidt af hormonet insulin, der regulerer blodsukkeret.

    Terapeutisk kloning: En kerne fra en kropscelle indsættes i et æg hvor kernen er fjernet. Ægget tror herefter at det er befrugtet, og vil udvikle sig. Embryonale stamceller kan udtages når det befrugtede æg er udviklet til en blastocyst, og bruges til stamcelleterapi.

    Terapeutiske celler: Celler der kan bruges til medicinsk behandling (terapi) af en sygdom, fx nerveceller til Parkinsons sygdom og betaceller til diabetes.

    Teratom: Teratomer opstår når celler vokser et sted på kroppen, hvor de normalt ikke bør vokse

    Totipotent stamcelle: Totipotent stamceller kan danne alle celler i et menneske samt navlestreng og moderkage. De rummer derfor muligheden for at danne et helt nyt menneske.

    Transkription: Processen hvor DNA-strengens sekvens omskrives til RNA.

    Transkriptionsfaktor: En transkriptionsfaktor er et protein, der kan binde til et gen og derved bestemme, om genet bliver udtrykt.

    Translation: Processen hvor mRNA sekvensen oversættes til protein. Translation er en kompliceret enzymatisk process, der katalyseres af ribosomet.

    Udviklingsbiologi: Formålet med udviklingsbiologien er at finde ud af, hvordan det befrugtede æg bliver til alle de forskellige specialiserede celler i vores krop, og hvordan cellerne organiseres, så de ligger de rigtige steder.

    Unipotent celle: Unipotente celler kan dele sig, og dermed danne flere af samme slags celletype.

    Vesikel: Små beholder i cellen, der bl.a. kan indeholde insulin.

    Virus: En virus kan indsætte gener i bestemte celler, og derved overtage kontrollen med cellerne. Virussen overtager herved kontrollen med cellen, og får den til at producere nye viruspartikler, der kan inficerer flere celler.

    Voksne stamceller: Stamceller der findes i kroppen på voksne mennesker.

null

Allan E. Karlsen er Vice President for Diabetes Biologi-afdelingen hos Novo Nordisk og har været sparringspartner på denne artikel.

Allan E. Karlsen

null

Ole D. Madsen er forskningsdirektør på Hagedorn research institute der er en del af Novo Nordisk. På Hagedorn forskes i at helbrede diabetes ved at gendanne betacellerne der er døde i diabetespatienter, med særlig fokus på stamcelleterapi.

Ole D. Madsen

null

Mattias Hansson arbejder som projektleder og forsøger at styre differentieringen af stamceller til insulin-producerende beta-celler for Novo Nordisk

Mattias Hansson

null

Lise Holst er bioetikchef hos Novo Nordisk. Hun arbejder med at finde de mest optimale løsninger på en række etiske dilemmaer samt at sikre en ansvarlig adfærd i forbindelse med forskning.

Lise Holst

null

Institut for Systembiologi har Danmarks største biovidenskabelige og bioteknologiske forskning på universitetsniveau.
Instituttet har været partner og sponsor på projektet.

Institut for Systembiologi