Lek. med. Anna MARKUSZEWSKA

Katedra i Klinika Okulistyki UM we Wrocławiu

Rola komórek macierzystych

w terapii okulistycznej

Nowe kierunki terapii z użyciem komórek macierzystych stanowią nadzieję w bliskiej przyszłości na opracowanie strategii leczenia nieuleczalnych do tej pory chorób.

Wstęp

Badania nad komórkami macierzystymi stwarzają nowe możliwości dla rozwoju głównych strategii terapeutycznych w chorobach, w których uszkodzenie lub utrata poszczególnych typów komórek w oku powoduje poważny stopień upośledzenia wzroku, a nawet całkowitą ślepotę.

Rozwój terapii z udziałem komórek macierzystych może doprowadzić do zastąpienia nimi brakujących lub nieprawidłowo funkcjonujących: komórek śródbłonka rogówki w różnych typach dystrofii, oparzeniach chemicznych lub termicznych; komórek zwojowych siatkówki w jaskrze; fotoreceptorów siatkówki i nabłonka barwnikowego w dziedzicznych oraz związanych z wiekiem zwyrodnieniach plamki żółtej, a także komórek siatkówki i naczyniówki w retinopatii cukrzycowej.

Komórki macierzyste

Komórki macierzyste są podstawą budowy wszelkich organów i tkanek ciała człowieka. Te wysoce wyspecjalizowane komórki budujące ludzki organizm pochodzą z puli embrionalnych komórek macierzystych powstałych wkrótce po zapłodnieniu. Komórki macierzyste zdeponowane w niektórych częściach ciała, tzw. somatyczne komórki macierzyste, dzięki którym możliwa jest regeneracja takich tkanek i narządów, jak skóra, włosy, krew czy błona śluzowa jelit, są wykorzystywane przez organizm przez całe życie, lecz w znacznie ograniczonym stopniu.

Komórki macierzyste w odróżnieniu od innych komórek organizmu charakteryzują się pluripotencjalnością, czyli w pewnych warunkach mogą się różnicować i pełnić różne funkcje, a ponadto mogą się w dużym tempie dzielić, zachowując niezróżnicowaną formę, są więc samoodnawialne. Te cechy sprawiają, że komórki macierzyste niosą ogromne nadzieje terapeutyczne dla wielu nieuleczalnych chorób.

Najczęściej opisywane i używane są cztery klasy komórek macierzystych:

1) embrionalne (human embryonic stem cells, hESCs),

2) indukowane pluripotencjalne (induced pluripotent stem cells, ipSCs),

3) somatyczne, inaczej „dorosłe” (adult stem cells, aSCs),

4) partenogenetyczne komórki macierzyste (parthenogenetic stem cells, hpSCs).

Embrionalne komórki macierzyste pochodzą z zapłodnionej komórki jajowej człowieka w bardzo wczesnej fazie rozwoju. Pluripotencjalność zapewnia im ogromny potencjał kliniczny. Jednak ich wykorzystanie wiąże się z istotnymi etycznymi wątpliwościami, wymagają one bowiem użycia zapłodnionej komórki jajowej, która w odpowiednich warunkach ma potencjał do stworzenia człowieka.

Innym ważnym problemem związanym z zastosowaniem zarodkowych komórek macierzystych jest fakt, że ponieważ jest to przeszczep allogeniczny, można oczekiwać ewentualnej reakcji immunologicznej prowadzącej do odrzutu.

Indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste uzyskuje się ze zróżnicowanych komórek (np. komórek skóry), które są poddane procedurom chemicznym lub genetycznym w celu cofnięcia ich do wcześniejszych etapów rozwoju. Podczas tworzenia tych komórek nie wykorzystuje się zapłodnionego jaja, jednak dochodzi do radykalnych zmian w ekspresji genów, które mogą mieć nieznane oddziaływania biologiczne, co na pewno będzie podlegać restrykcyjnej kontroli przez organy regulacyjne, zanim wyrażą one zgodę na terapeutyczne zastosowanie tych komórek u ludzi. Zastosowanie klinicznie tych komórek jest znacznie ograniczone przez to, że aby uniknąć immunologicznego odrzutu, indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste muszą być uzyskane w ramach autologicznej terapii (czyli dawcą i biorcą jest jedna osoba). Nie mogą więc być użyte do leczenia chorób dziedzicznych z powodu występowania w nich wady genetycznej.

Somatyczne komórki macierzyste, inaczej „dorosłe”, które występują w różnych narządach i tkankach, nie wymagają manipulacji genetycznych ani zniszczenia embrionu ludzkiego, są jednak dużo mniej wydajne, co sprawia, że trudno z nich uzyskiwać ilości terapeutyczne.

Partenogenetyczne komórki macierzyste pochodzą z aktywowanych ludzkich komórek jajowych poddanych indukcji przez chemiczne lub elektryczne bodźce symulujące penetrację plemników. Tę formę komórek wprowadzili naukowcy z ISCO (International Stem Cell Organization), wykorzystując partenogenezę, czyli formę rozmnażania bezpłciowego naturalnie niewystępującą u ssaków. Aktywowane komórki jajowe mają możliwość rozwinięcia się w partenogenetyczne zarodki przez osiągniecie stadium blastocysty, dającej początek linii partenogenetycznych komórek macierzystych o właściwościach pluripotencjalnych i samoodnawiania. W tym przypadku unika się etycznych problemów związanych z niszczeniem ludzkich embrionów. Ponadto nie występuje także wymuszana zmiana ekspresji genów. Najważniejszą cechą komórek hpSCS jest to, że mogą być produkowane w postaci homozygotycznej, co umożliwia danej linii komórkowej immunologiczne dopasowanie dla wielu milionów ludzi. Wyprodukowana przez ISCO pierwsza linia immunologicznie odpowiada mniej więcej 75 milionom ludzi na świecie.

Tab. 1. Charakterystyka czterech typów komórek macierzystych

Udostępnione przez International Stem Cell Corporation, September 2010

Badania nad komórkami macierzystymi po raz pierwszy przeprowadzili w latach 60. XX w. kanadyjscy naukowcy Ernest A. McCulloch i James E. Till, co stanowiło krok milowy w medycynie.

Natomiast praca nad zastosowaniem komórek macierzystych w okulistyce rozpoczęła się od odkrycia w 2000 r. przez dra Dereka van der Kooya ( University of Toronto) i dra Iqbala Ahmada (University of Nebraska), że komórki macierzyste mogą się różnicować w specyficzne dla siatkówki typy komórek, w tym w komórki fotoreceptorowe, komórki dwubiegunowe i glej Müllera.

Od tamtej pory większość badań prowadzono na modelach zwierzęcych; wykazano przy tym pozytywne wyniki dające nadzieje na postęp w leczeniu ludzi dotkniętych nieuleczalnymi chorobami oczu na całym świecie.

Pierwsze próby zastosowania komórek macierzystych u ludzi przeprowadzono w 2006 r. w Indiach (dr Rajender Prasad, Centre for Ophthalmic Sciences, All India Institute of Medical Sciences). Zespół badawczy poinformował wówczas, że u 50 pacjentów dotkniętych zwyrodnieniem plamki związanym z wiekiem (age related macular degeneration, AMD) lub barwnikowym zwyrodnieniem siatkówki (retinitis pigmentosa, RP) stwierdzono znaczną poprawę po upływie jednego miesiąca od iniekcji komórek macierzystych, która utrzymywała się także po 3 miesiącach. Jednakże dalszych losów tych pacjentów na podstawie dostępnego mi piśmiennictwie nie udało się poznać.

Dalsze kroki w badaniach nad komórkami macierzystymi to zawiązanie współpracy między firmami biofarmaceutycznymi i ośrodkami badawczymi.

W lipcu 2010 r. przedłożona została dokumentacja dla FDA (Food and Drug Administration) w związku z planami firmy Advanced Cell Technology (ACT) dotyczącymi rozpoczęcia 1/2 fazy wieloośrodkowych badań z użyciem hESCs w leczeniu pacjentów z chorobą Stargardta oraz AMD. W listopadzie tego samego roku ACT otrzymała zgodę na badania, a w kwietniu 2011 r. zostały rozpoczęte eksperymenty medyczne.

W sierpniu 2010 r. firma International Stem Cell Corp ogłosiła powstanie programu badawczego nad komórkami macierzystymi pod nazwą CytoVis, który obejmuje CytoCor – skupiający się na leczeniu rogówki oraz CytoRet – siatkówki.

Również w sierpniu 2010 r. Neostem poinformowała, że w jej badaniach sponsorowanych zostanie położony nacisk na rozwój terapii pacjentów z AMD oraz jaskrą.

Miesiąc później AstraZeneca nawiązała współpracę z University College London nad zastosowaniem komórek macierzystych w leczeniu retinopatii cukrzycowej.

Jak można wywnioskować z powyższego opisu, wkroczyliśmy w erę, w której zespoły badawcze prężnie rozpoczęły badania, skupiając się szczególnie na rozwoju terapii za pomocą komórek macierzystych w chorobach dotychczas nieuleczalnych, przede wszystkim tylnego odcinka oka.

Zastosowanie komórek macierzystych

Przedni odcinek oka

Pierwsze przeszczepy komórek macierzystych rąbka rogówki datuje się już na lata 70. XX w. Ich skuteczność do tej pory nie jest kwestionowana zwłaszcza w przypadku bardzo dużego niedoboru komórek macierzystych rąbka rogówki (limbal stem cells deficiency, LSCD) na przykład w zespole Stevensa-Johnsona czy oparzeniach chemicznych bądź termicznych. W trakcie wielu lat komórki macierzyste były pozyskiwane z oczu osób zmarłych lub żyjących krewnych. Obecnie prowadzi się badania nad uzyskiwaniem partenogenetycznych komórek macierzystych hpSCs (w programie badawczym CytoCor). Podstawowy protokół przeszczepowy w ciągu lat nie zmienił się wiele. Większość problemów, jakie napotykają naukowcy, nie dotyczy samej transplantacji, lecz środowiska, w jakie komórki te zostają przeszczepione. Transplantacja może nie dać oczekiwanego efektu ze względu na współwystępowanie deformacji powiek, stanu zapalnego czy też zespołu suchego oka.

Interesujące doniesienie naukowe w zakresie badań nad komórkami macierzystymi rąbka rogówki prezentowali dr Sheraz Daya i jego współpracownicy z Queen Victoria Hospital (Ophthalmology, marzec 2005 r.). Autor zwrócił uwagę , że 9 miesięcy po przeszczepie komórek rąbka u pacjentów z głębokim niedoborem komórek macierzystych rąbka rogówki LSCD podczas genotypowania za pomocą PCR (polymerase chain reaction) nie znaleziono żadnych śladów DNA dawcy. Pomimo braku komórek dawcy stan powierzchni oka w ciągu pierwszego roku był stabilny. Histologicznie nabłonek rogówki był zagęszczony, u 70% pacjentów różne parametry wcześniej występującego LSCD były prawidłowe, nie stwierdzono także stanu zapalnego ani nieprawidłowego unaczynienia. Zespół badawczy stwierdził, że trudno wytłumaczyć, co stało się z komórkami dawcy po upływie prawie roku. Wprawdzie w ciągu pierwszych kilku miesięcy po operacji odnaleźli oni mozaikę komórek dawcy i biorcy, ale po mniej więcej 9 miesiącach zostały jedynie komórki biorcy. Badacze przypuszczali, że komórki dawcy uaktywniły własne komórki macierzyste biorcy, prawdopodobnie krążące komórki macierzyste szpiku kostnego, które dostały się do rogówki. Przeszczep miał więc pozytywny wpływ na rogówkę: zmienił równowagę mediatorów zapalnych, czynników wzrostu, cytokin itp., sprzyjającą degeneracji, na taką, która odpowiadała za regenerację. Praktyczne znaczenie miał także fakt, że można było w zasadzie zakończyć immunosupresję po mniej więcej 9 miesiącach po operacji ze względu na brak komórek dawcy w organizmie biorcy po tym okresie.

Tylny odcinek oka

Zastosowanie komórek macierzystych w leczeniu schorzeń tylnego odcinka oka jest w trakcie eksperymentów. Stąd większość prac badawczych skupia się na wyzwaniach związanych z terapią chorób występujących właśnie w tej części narządu wzroku.

Obszary zainteresowania terapią komórkami macierzystymi w tym odcinku oka obejmują: regenerację komórek nabłonka barwnikowego siatkówki (RPE) w leczeniu suchej i wysiękowej formy AMD, wymianę uszkodzonych fotoreceptorów oraz bezpośredniego leczenia chorób, takich jak retinitis pigmentosa, retinopatia cukrzycowa, retinopatia wcześniacza, choroba Stargardta.

Na uwagę zasługują ostatnie doniesienia publikowane w czasopiśmie „Retinal Physician” (wrzesień 2011) dotyczące pierwszych prób prowadzonej przez doktora Steven’a Schwartza (David Geffen School of Medicine at UCLA) terapii pacjentów z suchą formą AMD i chorobą Stargardta za pomocą komórek nabłonka barwnikowego siatkówki pochodzących z embrionalnych komórek macierzystych (hESCs). Wstępną fazę terapii opisano u 2 pacjentów. Natomiast w całym badaniu weźmie udział 12 pacjentów z każdej grupy (choroba Stargardta i AMD).Głównym celem eksperymentu ma być ocena bezpieczeństwa i tolerancji przeszczepionych komórek.

Tab. 2. Kierunki badań nad komórkami macierzystymi

Irv Arons, September 2010 (Revision2, September 14,2010) , http://irvaronsjournal.blogspot.com/2010/09/primer-on-use-of-stem-cells-in.html

Podsumowanie

Przestawione nowe kierunki terapii z użyciem komórek macierzystych stanowią nadzieję w bliskiej przyszłości na opracowanie strategii leczenia nieuleczalnych do tej pory chorób.

Ocena skuteczności nowych technik leczniczych jest jednak trudna ze względu na nieprzewidywalne skutki immunologiczne obrony organizmu biorcy. Choć naukowcy są coraz bliżej celu, to nie został jeszcze osiągnięty wystarczający poziom pozwalający uznać te terapie za skuteczne i w pełni bezpieczne.