Wcześniej leczenie uszkodzeń tkanek czy chorób neurodegeneracyjnych często wymagało użycia komórek macierzystych, które potrafią przekształcić się w dowolny typ komórek w ciele. Tradycyjnie pozyskiwano je z zarodków. Przełom nastąpił w 2006 r., gdy japońscy naukowcy odkryli sposób na przywracanie dojrzałych komórek do stanu pluripotencjalnego, tworząc tzw. indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste (iPSC). Te komórki mogły przekształcać się w inne typy, np. komórki nerwowe, sercowe czy trzustkowe.

MIT omija etap komórek macierzystych – prosta, szybka i wydajna transformacja

Technologia iPSC była rewolucyjna, ale miała istotne wady. Przede wszystkim jej wydajność początkowo była bardzo niska – w pierwszych badaniach tylko mniej niż 0,1% komórek przechodziło pełną transformację do pożądanej formy. Przez ostatnie dwie dekady naukowcy pracowali nad udoskonaleniem tego procesu i osiągali stopniowy postęp, ale technika nadal pozostaje złożona i czasochłonna. Dodatkowo wiele komórek utknęło w etapach pośrednich i nie przeszło do pełnej funkcjonalności jako komórki końcowe. Oznaczało to ograniczoną przydatność kliniczną oraz potrzebę prowadzenia skomplikowanych i kosztownych procedur laboratoryjnych.

Największą innowacją naukowców z MIT jest pominięcie etapu tworzenia komórek macierzystych. Zamiast tego opracowano metodę bezpośredniego przekształcania komórek skóry w funkcjonalne komórki nerwowe. Dzięki temu cały proces staje się znacznie prostszy, szybszy i – co najważniejsze – bezpieczniejszy z punktu widzenia etyki. Najbardziej zaskakującym aspektem tej technologii jest jej wydajność – na każdą przekształcaną komórkę skóry powstaje nawet 10 komórek nerwowych. Bezpośrednia konwersja komórek może mocno zmienić przyszłość leczenia wielu poważnych schorzeń, w szczególności chodzi o choroby neurodegeneracyjne, jak choroba Parkinsona, Alzheimera czy stwardnienie zanikowe boczne. Możliwość regeneracji uszkodzonych obszarów mózgu za pomocą komórek pochodzących z własnej skóry pacjenta minimalizuje ryzyko odrzutu.

Bezpośrednia konwersja z pominięciem problemu „zawieszonych” komórek

Jednym z wyzwań w dziedzinie inżynierii komórkowej jest sytuacja, w której komórki nie przechodzą płynnie całego procesu przekształcania i zatrzymują się w tzw. stanach pośrednich. To znacznie obniża skuteczność terapii i ogranicza możliwości ich praktycznego zastosowania. Nowa technika pozwala uniknąć tego problemu właśnie dzięki bezpośredniej konwersji. Zamiast typowego procesu obejmującego konwersję do indukowanych komórek macierzystych, naukowcy z MIT opracowali sposób, w którym komórki somatyczne, np. komórki skóry, są bezpośrednio zamieniane w neurony ruchowe. Pominięcie etapu iPSC to duży krok naprzód, ponieważ upraszcza proces i ogranicza ryzyko wystąpienia błędów biologicznych.

Wcześniejsze podejścia do przeprogramowania komórek opierały się na wykorzystaniu zestawu czterech konkretnych genów kodujących białka, znanych jako czynniki transkrypcyjne. Te białka odgrywają kluczową rolę w kontrolowaniu ekspresji genów i determinują, jakie funkcje pełni dana komórka. W klasycznej procedurze geny pakowano w wektory wirusowe i wprowadzano do komórek skóry. W wyniku ich działania komórki „cofały się” do stanu pluripotencjalnego, czyli takiego, który przypomina komórki zarodkowe i umożliwia różnicowanie się w dowolny typ komórek. Był to jednak proces złożony, czasochłonny i obciążony ryzykiem zatrzymania się komórek w niepełnym stadium transformacji.

Przełomowa trójka: NGN2, ISL1 i LHX3

W najnowszym badaniu naukowcy skupili się na optymalizacji zestawu czynników transkrypcyjnych potrzebnych do skutecznej konwersji. Zamiast czterech klasycznych czynników przetestowano aż sześć różnych białek znanych z wcześniejszych eksperymentów w celu znalezienia kombinacji, która będzie równie skuteczna, ale jednocześnie prostsza do zastosowania w praktyce klinicznej. Po licznych próbach udało się zidentyfikować trzy czynniki – NGN2, ISL1 oraz LHX3 – które w połączeniu umożliwiają bezpośrednie przekształcenie komórek skóry w neurony ruchowe. Największą zaletą tej konfiguracji było umieszczenie ich w jednym wektorze wirusowym. Samo przekształcanie komórek to jednak nie wszystko – potrzebna była również metoda na zwiększenie ich liczby. W związku z tym zespół badaczy opracował drugą linię wirusową, która dostarczała dwa dodatkowe geny odpowiedzialne za aktywację rozmnażania się komórek. Dzięki temu możliwe było szybkie przekształcanie komórek w neurony ruchowe i zwiększenie ich liczby z pojedynczych komórek źródłowych. To połączenie etapów konwersji i proliferacji okazało się kluczowe dla osiągnięcia imponującej wydajności, jaką jest nawet 1000% wzrost liczby komórek docelowych. Tego rodzaju postęp podnosi skuteczność terapii regeneracyjnych i może stanowić fundament dla przyszłych badań nad leczeniem chorób neurologicznych oraz testowaniem nowych leków.

Skuteczność przeprogramowania komórek zależy nie tylko od używanych czynników transkrypcyjnych, ale także stanu biologicznego komórek. Jak wyjaśnia dr Katie Galloway z MIT, komórki, które naturalnie nie dzielą się (czyli są nieproliferacyjne), znacznie trudniej przeprogramować, nawet jeśli dostarczymy im duże dawki czynników transkrypcyjnych. Są one po prostu biologicznie „zamknięte” na zmiany. Z kolei komórki hiperproliferacyjne okazują się znacznie bardziej podatne na przeprogramowanie. Takie komórki są „otwarte”. Ich materiał genetyczny jest bardziej dostępny, a reakcja na czynniki transkrypcyjne – intensywniejsza. Pobudzanie komórek do intensywnego podziału przed właściwą konwersją wyraźnie zwiększa skuteczność ewolucji.

Udany eksperyment na myszach

Zespół naukowców przetestował swoją nową technikę, wykorzystując do tego komórki skóry myszy. Po ich odpowiednim przeprogramowaniu udało się uzyskać neurony ruchowe odpowiadające  za przesyłanie sygnałów z mózgu do mięśni. Wydajność tego procesu okazała się bardzo wysoka – powstało ponad 1000% więcej neuronów niż w poprzednich próbach. To jednak nie wszystko. Stworzone w laboratorium komórki zbadano pod kątem funkcjonalności. Analiza wykazała, że generowały one aktywność elektryczną oraz sygnały wapniowe, więc działały jak prawdziwe neurony. W kolejnym etapie badacze wszczepili te komórki do mózgu żywych myszy. W efekcie neurony zintegrowały się ze strukturami mózgowymi w dowodzie, że mogą one realnie uczestniczyć w pracy układu nerwowego. Na podstawie wyników z badań na myszach naukowcy opracowali również odpowiednik tej techniki dla ludzkich komórek skóry. Chociaż uzyskane wyniki były mniej spektakularne, bo ich wydajność wahała się od 10% do 30%, i tak jest to ogromny postęp. Przypomnijmy, w przeszłości skuteczność takiego przeprogramowania sięgała zaledwie 0,1%.

Choć badania są jeszcze na etapie laboratoryjnym, naukowcy już teraz przewidują konkretne zastosowania kliniczne dla tej technologii. Jednym z pierwszych celów może być leczenie pacjentów z chorobami neurodegeneracyjnymi. Hodując nowe, zdrowe neurony ruchowe z własnych komórek pacjenta, można by przywrócić część utraconych funkcji ruchowych bez ryzyka odrzutu przeszczepu.