Jak rozpoczęła się Pani historia z komórkami macierzystymi?

dr hab. n. med. Ewa Zuba-Surma (Zakład Biologii Komórki WBBiB UJ, Kraków)

To bardzo ciekawe pytanie, ponieważ za moich czasów studenckich w zasadzie nie było specjalizacji związanej z komórkami macierzystymi. Były to czasy, kiedy biologia komórek macierzystych była tematem zupełnie nowym, istniejącym już na świecie, ale w Polsce nie było o tym jeszcze zbyt wiele wiadomo. Jestem absolwentką Zakładu Immunologii Wydziału Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie i zarówno moją pracę magisterską, jak i doktorską wykonywałam pod kierunkiem Pana Profesora Juliusza Pryjmy - czyli mój background biologiczny i biotechnologiczny to właściwie immunologia. Natomiast moja historia z komórkami macierzystymi rozpoczęła się już po moim doktoracie, kiedy dołączyłam do grupy badawczej w Zakładzie Transplantologii Polsko- Amerykańskiego Instytutu Pediatrii w Krakowie,  prowadzonym przez Pana Profesora Mariusza Ratajczaka. Był to czas, kiedy w Krakowie nieliczne grupy badawcze zajmowały się komórkami macierzystymi, w tym m.in. współpracownicy Prof. Ratajczaka oraz grupa Pani Profesor Aldony Dembińskiej- Kieć z Collegium Medicum, z którą prowadziliśmy wspólny projekt oparty o granty europejskie. W tym czasie zajmowaliśmy się izolowaniem dojrzałych komórek macierzystych z ludzkiej krwi pępowinowej, próbami ich namnażania, ekspansji oraz aplikacji. Bardzo cenne było to, że na co dzień mieliśmy kontakt z materiałem klinicznym od pacjentów.  W kolejnym etapie, w związku z moimi badaniami i aktywnością naukową otrzymałam propozycję wyjazdu do USA na staż podoktorski do Uniwersytetu w Louisville, KY. Tam moja przygoda z komórkami macierzystymi rozwinęła się w pełni. Miałam możliwość pracy nie tylko z komórkami z krwi pępowinowej i szpiku kostnego, ale też z innych tkanek. Wtedy też zainteresowałam się aspektem aplikacji komórek macierzystych w kardiologii. Miałam okazję współpracować z grupą Profesora Roberto Bolli’ego oraz Profesora Buddhadeb Dawn’a w Instytucie Kardiologii Molekularnej, gdzie optymalizowaliśmy m.in. różne strategie pozyskiwania komórek o zwiększonym potencjale angiogennym i kadriomiogennym, czyli takich, które można by wykorzystać w regeneracji mięśnia sercowego. I tak można powiedzieć rozpoczęła się i rozwinęła moja historia z komórkami macierzystymi.

Podczas stażu podoktorskiego w USA udało się Pani wraz z zespołem badawczym Pana Prof. Ratajczaka zidentyfikować populację bardzo małych komórek macierzystych o charakterze embrionalnym (VSELs). Proszę powiedzieć coś więcej o tych niezwykłych komórkach.

VSELs są komórkami bardzo rzadkimi, o unikalnych właściwościach. Mają wiele cech zbliżonych do embrionalnych komórek macierzystych, zarówno na poziomie ekspresji pewnych markerów genetycznych, ultrastruktury, ale również na poziomie epigenetycznym. Unikalność komórek VSELs polega na tym, że z jednej strony mają pewne cechy komórek embrionalnych, a jednocześnie są zdeponowane w tkankach dojrzałych, w związku z czym są w pewien sposób "uśpione" i dzięki temu są chronione przed uruchomieniem procesów teratogennych, co ma miejsce w przypadku typowych komórek izolowanych z zarodków.

Komórki VSELs można zidentyfikować we wszystkich tkankach. Potwierdzają to badania, które przeprowadzaliśmy na modelu mysim. Są obecne również w tkankach ludzkich, w tym w szpiku kostnym, krwi pępowinowej, a nawet krążą w niewielkim odsetku w krwi obwodowej. Ostatnio zidentyfikowaliśmy je również w ludzkiej tkance sercowej. Myślę, że dalsze badania na świecie wykażą obecność takich wczesnych komórek z ekspresją markerów pluripotentnych również w innych tkankach dojrzałych.

Złe światło na embrionalne komórki macierzyste rzuca ich zdolność do tworzenia pierwotnych typów nowotworów po przeszczepie. Czy VSELs  również mogą mieć taką zdolność?

Właśnie to miałam na myśli mówiąc wcześniej, że komórki VSELs nie wykazują potencjału teratogennego, czyli nie tworzą potworniaków in vivo, tak jak ma o miejsce w przypadku komórek embrionalnych, jak Pani wspomniała. Komórki VSELs należą do tzw. puli komórek "adult stem cells", czyli komórek macierzystych z tkanek dojrzałych. Posiadają unikatowy profil metylacji pewnych genów – w tym genu H19 i Igf2, które są odpowiedzialne m.in. za regulację proliferacji tych komórek. Ten unikatowy profil metylacji powoduje, że VSELs są komórkami wyciszonymi i jest to cecha, która odróżnia je od embrionalnych komórek macierzystych pozyskiwanych z zarodków, które bardzo intensywnie proliferują, czyli dzielą się w hodowli. Mogą różnicować nie tylko w 3 listki zarodkowe, ale przede wszystkim mają potencjał tworzenia tzw. potworniaków (teratom) czyli pierwotnych guzów składających się z różnych typów tkanek. VSELs są wyciszone i jako dojrzałe komórki macierzyste nie proliferują bez specjalnych sygnałów i nie dają początku potworniakom po przeszczepieniu in vivo. Zostało to potwierdzone eksperymentalnie. Z naszych badań na modelach zwierzęcych wynika, że  komórki VSELs podane np. do mięśnia sercowego w mysim modelu zawału serca, poprawiają funkcje uszkodzonego organu i jednocześnie ich podanie jest bezpieczne.

VSELs z jednej strony są komórkami, które nie tworzą pierwotnych typów nowotworów po przeszczepie, ale z drugiej strony to, iż są wyciszone i nie proliferują powoduje, że bardzo trudno te komórki namnażać. To takie swoiste "dwie strony tego samego medalu". Ciężko jest znaleźć taki układ in vitro, w którym można by pobudzić te komórki to intensywnej ekspansji i jednocześnie zachować ich nieteratogenny potencjał. Prawdopodobnie kluczem do ich ekspansji będzie odpowiednia modyfikacja genetyczna polegająca na zmianie statusu epigenetycznego pewnych genów, ale tego właściwego "klucza" odblokowującego te komórki, wciąż poszukujemy.

Pracuje Pani obecnie w Zakładzie Biologii Komórki Wydziału Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie. Wraz z zespołem zajmuje się tam Pani m.in. próbami zastosowania komórek macierzystych w regeneracji mięśnia sercowego po zawale. Na jakim etapie zaawansowania są te badania?

 W tej chwili kardiologia to taka dziedzina medycyny, która chyba najbardziej eksperymentuje z komórkami macierzystymi. Oczywiście abstrahuje tu od hematologii, która od lat jest dziedziną kliniczną najszerzej i w sposób najbardziej zoptymalizowany stosującą komórki macierzyste. Przeszczepy szpiku kostnego to de facto nic innego, jak przeszczepy komórek macierzystych i prognitorowych zapewniające rekonstytuuję szpiku kostnego w różnych sytuacjach klinicznych.

Natomiast  wracając do kardiologii, obecne badania skupiają się na optymalizacji procesu przygotowywania komórek poza organizmem pacjenta do przeszczepu oraz wyborem odpowiedniej frakcji komórek, która zapewniałaby optymalny efekt terapeutyczny. W kardiologii zdecydowanie "królują" komórki macierzyste "dojrzałe", czyli komórki pobierane ze szpiku kostnego pacjentów i przeszczepiane w układach autologicznych. Z obecnych badań klinicznych wynika, że poprawa funkcji serca po podaniu komórek macierzystych szpikowych nie jest tak spektakularna, jakbyśmy tego oczekiwali, ale terapia ta jest bezpieczna i może być stosowana wraz ze standardowymi procedurami leczenia. Uzyskane wyniki są jednak obiecujące, ponieważ wskazują, że komórki macierzyste działają i nie są szkodliwe. Nie obserwujemy żadnych skutków ubocznych. Istnieje jednak wciąż bardzo duża potrzeba optymalizacji tych metod.

Co ciekawe, z badań wynika również, że u osób które doznały znacznego uszczerbku na funkcji mięśnia sercowego, czyli na przykład u osób, które przeszły bardzo rozległy zawał serca i funkcja lewej komory ich serca jest bardzo upośledzona, terapia z podaniem komórek macierzystych przynosi większe korzyści niż w przypadku osób o niewielkim uszkodzeniu tego narządu. Jest zatem wciąż wiele do zrobienia w tej dziedzinie, jak również otwierają się nowe perspektywy stosowania komórek macierzystych, jako źródła tzw. efektów parakrynnych w miejscu przeszczepienia, co stanowi nową gałąź badań i z pewnością temat na kolejną rozmowę.

Jak Pani sądzi, czy leczenie blizn pozawałowych z użyciem komórek macierzystych może być skuteczne i powszechnie stosowane w przyszłości?

Uważam, że tak jeśli uda nam się znaleźć odpowiednie komórki i odpowiednio je "uzbroić", np. podając na odpowiednich nośnikach syntetycznych. Wysiłki naukowców idą teraz w dwóch kierunkach. Po pierwsze, szuka się optymalnych komórek, które poddawałyby się różnicowaniu w te typy komórek, które są uszkodzone w sercu w wyniku niedotlenienia - czyli w komórki śródbłonka, kardiomiocyty, komórki mięśni gładkich, czyli komórek macierzystych, które z jednej strony regenerowałyby miokardium. I nad takimi aspektami pracuje właśnie moja grupa badawcza. Szukamy zdefiniowanych antygenowo komórek macierzystych dla wykorzystania w kardiologii.

Drugi kierunek to skoncentrowanie się na aktywności wydzielniczej, czyli parakrynnej komórek macierzystych, o czym wspomniałam wcześniej. Z badań wynika, że być może większa skuteczność terapeutyczna komórek macierzystych po przeszczepie jest związana nie z transróżnicowaniem, ale z tym co komórka macierzysta wydziela do środowiska. Kluczowe może się okazać wydzielanie czynników wzrostowych lub mikropęcherzyków, które będą w stanie pozytywnie wpłynąć na endogenne komórki serca, w tym działać cytoprotekcyjnie, proangiogennie, jak również aktywować endogenne komórki progenitorowe serca.

Po stażu w USA postanowiła Pani wrócić do Polski na Uniwersytet Jagielloński i kontynuować badania naukowe. Jak z perspektywy naukowca, który przepracował parę lat za granicą widzi Pani poziom zaawansowanie badań w naszym kraju?

Patrząc z perspektywy dwóch punktów widzenia - osoby, która pięć lat spędziła pracując naukowo w USA oraz naukowca pracującego już kilka lat po swoim powrocie w Polsce, uważam, że Polska bardzo intensywnie się rozwija, jeśli chodzi o naukę. Infrastruktura badawcza, całe zaplecze naukowe w naszym kraju bardzo zyskało w ostatnich latach i dziś niewiele różni się od tego, które jest za granicą. Nauka tak naprawdę, można powiedzieć "naukowcami stoi". To co my - naukowcy - jesteśmy w stanie zaoferować i zrobić tutaj, to de facto napędza rozwój nauki. Inną kwestią jest finansowanie nauki, które kilka lat temu było niewielkie, ale teraz znacznie się poprawia. Obecnie możemy korzystać z funduszy unijnych, ofert Narodowego Centrum Nauki, Narodowego Centrum Badań i Rozwoju oraz Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej, a także wielu fundacji zagranicznych.  Sama korzystam z finansowania tych instytucji będąc m.in. laureatem programów FNP (Homing oraz Team) oraz NCN (Sonata-Bis). Jeżeli naukowcy będą mieć motywację do tego aby rozwijać swoje pasje i kontynuować swoją pracę w kraju, starać się o granty, to efektywna praca naukowa jest możliwa w Polsce. Zachęcam osoby, które pracują za granicą i mają perspektywę pracy w kraju i stworzenia swojej grupy badawczej, aby to zrobiły. Zachęcam również młodych zdolnych ludzi - młodych badaczy, którzy dopiero zaczynają swoją drogę naukową, aby nie bali się zainwestować swoich zdolności i sił w pracę w instytucji badawczej w Polsce.  Kluczowa jest  współpraca i wsparcie jednostki i grupy naukowej, do której się dołącza, jako młody badacz, jak również do której się wraca będąc bardziej już doświadczonym naukowcem po stażach zagranicznych. Jeśli spotka się ludzi, którzy wspierają i są życzliwi to naprawdę bardzo wiele można tutaj zdziałać, u nas, w naszym kraju.

Dziękuję za rozmowę

rozmawiała Alicja Kościńska

Zespół badawczy dr hab. Ewy Zuby-Surmy - "MicroTEAM" (od lewej: mgr Elżbieta Karnas, mgr Agnieszka Pająk, mgr Katarzyna Kmiotek, dr hab. Ewa Zuba-Surma, dr Sylwia Bobis-Wozowicz, mgr Anna Łabędź-Masłowska, mgr Marta Adamiak)