Dyrkning af hjerteceller lige til dig

Kiggede gennem et mikroskop i Madison, Wisconsin, så jeg mine hjerteceller slå i en petriskål. De lignede lysende røde rejer uden hale, pulserede og bevægede sig meget langsomt mod hinanden. Efterladt i flere timer, fik jeg at vide, ville disse kardiomyocytter smelte sammen til klatter, der forsøgte at danne et hjerte. Ved siden af ​​mig var videnskabsmænd, som havde udført eksperimenter, som de håbede ville afsløre, om mine hjerteceller er sunde, om de er usædvanligt følsomme over for stoffer, og om de bliver alt for stressede, når jeg er på vej op ad en trappe.

Det sneede uden for kontor-parkvinduerne i Cellular Dynamics International (CDI), hvor jeg observerede en intim demonstration af, hvordan stamcelleteknologier en dag kan kombineres med personlig genomik og personlig medicin. Jeg var den første journalist, der gennemgik eksperimenter designet til at se, om den fire år gamle proces, der skaber inducerede pluripotente stamceller (iPS) kan give indsigt i funktionen og skæbnen for et sundt individs hjerteceller. Lignende tests kunne køres på laboratoriedyrkede hjerne- og leverceller eller i sidste ende på en hvilken som helst af de mere end 200 celletyper, der findes hos mennesker. Dette er det næste trin i personlig medicin: at kunne teste medicin og andre faktorer på forskellige celletyper, sagde Chris Parker, CDIs kommercielle chef, og kiggede mig over skulderen.

Denne historie var en del af vores september 2011-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

CDI-forskere skabte det lille stykke af mit hjerte ved at tage celler fra mit blod og omprogrammere dem, så de vendte tilbage til en pluripotent tilstand, hvilket betyder, at de er i stand til at vokse til enhver celletype i kroppen. Videnskaben, der gør dette muligt, kommer fra laboratoriet af CDI-medstifter og stamcelle-pioner James Thomson fra University of Wisconsin, lederen af ​​et af to hold, der opdagede iPS-celleprocessen i 2007. (Den anden indsats blev ledet af Shinya Yamanaka fra Kyoto University.) Resultaterne ligner de specielle celler, der vises i embryoner få dage efter befrugtning.

Siden slutningen af ​​2008 har virksomheden fremstillet kardiomyocytter og sendt de frosne celler på tøris til akademiske videnskabsmænd for at studere, hvordan disse celler fungerer, og til forskere i den farmaceutiske industri til brug i tidlige test af lægemiddelkandidater. En vigtig grund til at bruge cellerne er, at de kunne afsløre, om lægemidler er giftige for hjertet, information, som andre typer test kan gå glip af. Flere lægemidler er kommet på markedet, som har kardiotoksiske profiler, og det er uacceptabelt, siger Parker. Han siger, at kardiomyocytterne afledt af iPS-celler er en enorm forbedring i forhold til de kadaverceller, der nogle gange bruges til at teste potentielle lægemiddelforbindelser. I modsætning til kadavercellerne slår IPS-genererede celler realistisk og kan leveres i store mængder efter behov. Desuden kan iPS-genererede celler have den samme genetiske sammensætning som de patienter, de kom fra, hvilket er en stor fordel ved at skræddersy lægemidler og behandlinger til individer. Disse specialfremstillede celler er dog ikke billige. Cellular Dynamics' administrerende direktør, Robert Palay, siger, at de koster omkring $1.500 for et standardglas med 1,5 millioner celler.

En særlig sensationel udsigt er, at iPS-celler kan transplanteres ind i patienter, så de kan regenerere syge eller beskadigede rygsøjler, hjerner, hjerter eller andet væv - et forslag, der er særligt lokkende, fordi disse celler ikke ville blive afvist af værtens krop. De kunne også afskaffe den politiske polemik omkring embryonale stamceller, fordi de måske en dag gør det muligt at høste pluripotente celler uden at ødelægge et menneskeligt embryo.

Transplantation er dog år væk for de fleste vævstyper, siger Alexander Meissner, en stamcelleforsker fra Harvard University. Det er ikke trivielt at regenerere hjernevæv, siger han. Det kommer til at tage længere tid, end folk tror. Thomson er enig. At tale om transplantation har været en slags irrationel overflod, siger han. Processen med at bruge iPS-celler til at skabe nyt væv udgør stadig visse farer: Nogle cellelinjer, for eksempel, rummer mutationer, der kan føre til kræft, og i nogle tilfælde bevarer celler en svag kemisk hukommelse om deres tidligere identitet som hud- eller blodceller.

Thomson mener, at det er midlertidige tilbageslag. Vi har haft knoglemarvstransplantation i lang tid, hvilket i bund og grund er stamceller, siger han. Og der arbejdes lige nu på at bruge iPS-celler til at reparere makuladegeneration. Men at reparere skader på nerverne i en rygsøjle er meget vanskeligere. Andre deler hans forsigtige optimisme. Stort set alt om iPS-celler er overhypet, siger Chris Austin, direktør for Chemical Genomics Center ved National Institutes of Health. Men med det formål at teste lægemiddelkandidater, tror jeg, at mulighederne er betydelige, og vi og mange andre mennesker forfølger dette. Der er mange problemer. Er iPS-celler virkelig normale? Hvordan får man nok rene differentierede celler? Men potentialet er der bestemt.

Lyser lyst: Et lag af forfatterens hjerteceller ligner en kaotisk klump under mikroskopet.

Holder sig til videnskab
Jeg besøgte første gang James Thomson på en anden snedækket, kold dag i Wisconsin i 2008, et par uger efter udgivelsen af ​​hans papir, der bekendtgjorde iPS-celler, der stammer fra menneskelige celler. En skrabet, no-nonsense mand i en afslappet sweater og bankede Dockers, han sad på et lille kontor udsmykket med tropiske fisk, bregner og en antik dartskive og diskuterede sin oprindelige opdagelse af menneskelige embryonale stamceller i 1998. Hans værksæt ud af en storm af protest: modstandere hævdede, at ødelæggelse af et menneskeligt embryo for at høste dets stamceller er ensbetydende med mord. Præsident George W. Bush begrænsede de fleste føderale midler til forskning i embryonale stamceller i 2001, og kritikere er fortsat med at bagvaske Thomson, selvom han forsøger at holde en lav profil. Jeg taler ikke meget om det, sagde han. Jeg holder mig til videnskaben.

Oprettelsen af ​​iPS-celler i 2007 virkede som en elegant bogstøtte til opdagelsen fra 1998, fordi den tilbød en ny måde at producere stamceller på, der kan differentiere til enhver celletype - en der faktisk kunne være bedre, fordi cellerne ville være genetisk identiske med patienternes egne. Det var en lettelse, at vi kunne have en løsning på denne politiske og etiske situation, sagde Thomson. Gennembruddet var dog en overraskelse. Vi vidste, at iPS-processen var en mulighed, sagde han, men da vi startede, var jeg sikker på, at det ville tage mindst 10 år. Thomson og en postdoc fra Wisconsin, Junying Yu, satte sig for at skabe iPS-celler ved at modificere hudceller med regulatorgener, der normalt kun findes i embryoner. Metoden, sagde han, overraskede alle ved at virke.

Thomson var med til at stifte CDI i 2007, omkring samme tid som flere andre stamcelle-armaturer blev involveret i iPS-cellevirksomheder. Disse potentielle konkurrenter er dog primært fokuseret på at skabe terapeutiske midler. De bruger iPS-celler til at hjælpe med at identificere og udvikle lægemiddelkandidater og til at designe processer, der en dag kan føre til transplantation. Indtil videre har CDI ingen seriøse konkurrenter på markedet til at sælge iPS-genererede celler i volumen til brug i forskning og lægemiddelscreening. Til dels skyldes det, at Thomson og hans videnskabelige team har arbejdet længere for at overvinde vanskeligheder med at industrialisere teknologien. Det er svært at lave iPS-celler, der er funktionelle i store mængder, siger Harvards Meissner.

Privatejet har virksomheden ikke detaljeret sin præstation, men dens administrerende direktør sagde til en lokal avis, at CDI får multimillioner i indtægter fra at sælge sine hjerteceller til omkring 40 kunder, herunder de fleste store medicinalvirksomheder. Næste år planlægger virksomheden at udrulle iPS-genererede lever-, hjerne- og blodceller.

Dette er en game-changer, siger stamcellebiolog Sandra Engle, en senior hovedforsker hos Pfizer, som har brugt CDIs celler. Før CDI var disse celler meget svære at opnå, og vi ville kun få små mængder. Dette virker ikke for high-throughput test for lægemidler. For Kyle Kolaja, global leder af prædiktive toksikologiske screeninger og nye teknologier hos Roche, er fordelen ved CDI-cellerne, at de opfører sig som rigtige celler. De har allerede en stor indflydelse på lægemiddelsikkerhed og udvikling, siger han. De har allerede ændret det, vi laver.

Cellulære spor
Selvom virksomheder som Roche og Pfizer i øjeblikket bruger iPS-celler til blot at screene potentielle lægemidler for toksicitet og andre egenskaber, kan der en dag udføres iPS-baserede tests på individuelle patienter for at se, om de er i særlig risiko for bivirkninger. Euan Ashley, en kardiolog ved Stanford University, forsøger at bruge iPS-celler til at hjælpe med at diagnosticere og behandle en 16-årig dreng med tidlige symptomer på dilateret kardiomyopati, en potentielt dødelig sygdom, hvor hjertet svulmer og svækkes. Dette er den slags alvorlig genetisk sygdom, der løber gennem familier, som vi tror kan drage fordel af iPS-teknologier og genomik, siger Ashley. Han har undersøgt drengens DNA for afslørende genetiske markører forbundet med sygdommen og har testet sin bror og forældre for at se, om de også bærer markørerne. Stanford-teamet planlægger at skabe iPS-celler ved at omprogrammere hudceller taget fra familien og derefter få dem til at differentiere til kardiomyocytter, der bærer de karakteristiske genetiske variationer. Ved at studere biokemien af ​​disse hjerteceller håber forskerne at få fingerpeg om, hvordan de kan reagere på forskellige lægemiddelkandidater.

Vi vil bruge iPS-cellerne til at kontrollere forskellene mellem dette barn og andre med og uden tilstanden, siger Ashley, og til at teste, hvilke stoffer der virker bedst for drengen og andre berørte familiemedlemmer. Ashley siger, at et mål er at udvikle tests for at bestemme, hvordan de genetiske variationer faktisk påvirker cellerne. Betydningen af ​​genetiske faktorer vil afspejle sig i disse celler, siger han.

Koldhjertet: Prøver af forfatterens celler opbevares i bakker under kryogene forhold.

Andre klinikere og laboratorier bruger også iPS-celler i eksperimenter, der skal kaste lys over sygdom. For eksempel studerer forskere ved Salk Institute iPS-afledte neuroner fra mennesker med skizofreni for at se, hvordan de adskiller sig fra normale neuroner, og de vil undersøge, hvad der sker, når cellerne udsættes for antipsykotiske lægemidler. På NIH studerer en gruppe iPS-genererede celler fra patienter med en dødelig genetisk lidelse kendt som Niemann-Pick sygdom type C. Andre forskere har foreslået at bruge iPS-genererede celler til at teste virkningerne af giftige kemikalier såsom kviksølv og pesticider.

Håbet, siger forskere, er at skabe et bibliotek af iPS-cellelinjer fra mennesker, der har specifikke symptomer eller adfærd forbundet med en bestemt sygdom. Roche har startet et program med Massachusetts General Hospital i Boston for at skabe cellelinjer, der afspejler forskellige typer hjertesygdomme; resultaterne kunne hjælpe virksomheden med at udvikle lægemidler. Denne sommer annoncerede CDI og Medical College of Wisconsin en bevilling på $6,3 millioner fra NIH til at skabe iPS-genererede hjerteceller fra 250 patienter, der har forladt ventrikulær hypertrofi, en tilstand, der forårsager højt blodtryk og øger risikoen for hjerte-kar-sygdomme.

Forskere er stadig langt fra at bruge iPS-celler rutinemæssigt til at diagnosticere sygdom eller tilbyde individuelle prognoser. NIHs Austin advarer om, at individuelle celler kun fortæller en del af historien om, hvad der sker i det dynamiske system, som er den menneskelige krop. I nogle tilfælde har du ikke en celle, der kan give dig et reelt svar om en sygdom som depression, siger han. Hvilken celletype bruger du til det?

Min Mambo
Jeg lancerede min egen iPS-rejse i en lille Quest Diagnostics-klinik på en grøn gade i San Francisco. Han viklede en gummislange om min arm og stak en nål ind i en nål for at trække flere hætteglas med blod ud, som ville blive sendt på is til Madison. Da de kom til CDI, åbnede teknikere mine hvide blodlegemer og brugte en biokonstrueret retrovirus til at introducere master-transskriptionsgener i deres DNA. Disse gener omprogrammerede cellerne, så når de replikerede, var resultaterne pluripotente celler i stedet for flere hvide blodlegemer. Deres transformation til fungerende iPS-celler tog adskillige måneder med lokkering, oprensning og verifikation, der kostede omkring $15.000, som virksomheden betalte på mine vegne. Da min pluripotente cellelinje nynnede med, justerede forskerne ved CDI nogle få celler for at få dem til at differentiere sig til tre typer hjerteceller – som jeg først så pulserende i et videoklip, de sendte til mig.

I Madison, næsten et år efter at have opgivet mit blod, var jeg bare en smule ængstelig, da jeg stirrede på mine bankende hjerteceller. Jeg var ved at få en gennemgang af de eksperimenter, CDI havde udført for at demonstrere, hvad disse små bundter af biomanipuleret cytoplasma og kerner kunne sige om mit helbred og min følsomhed over for forskellige lægemidler.

Chris Parker og virksomhedens produktchef for kardiomyocytter, Blake Anson, tog føringen i at lede mig gennem en række vurderinger, der begyndte med tests for at sikre, at disse celler stadig er dig, sagde Parker. De viste mig et dias af de 23 parrede kromosomer taget fra min originale blodprøve og sammenlignede det med et dias, der viste kromosomerne taget fra kardiomyocytterne. De havde også kørt en simpel genetisk sammenligning ved hjælp af 16 DNA-markører, en test brugt af retshåndhævelse, der giver en hurtig, relativt billig måde at vurdere, om to prøver matcher. Da mine fremstillede celler bestod mønstret, gik forskerne til trin to: at se, om de opførte sig som rigtige kardiomyocytter.

Først summede de cellerne med elektricitet for at kontrollere rækkevidden i varigheden af ​​aktionspotentialerne - de elektriske impulser, der driver hjertesammentrækninger. Derefter målte de slaget af cellerne i aggregatet mod en slags EKG-bølgeform som dem, der vises som op-og-ned-impulser på en hospitalsmonitor. Mine celler så normale ud.

Pluripotent pioner: Biolog James Thomson fra University of Wisconsin var med til at stifte Cellular Dynamics International i 2007 efter at have udviklet en metode til at omprogrammere almindelige menneskelige celler til at skabe inducerede pluripotente stamceller, som kan give anledning til enhver celletype. Thomson har siden været med til at pionere brugen af ​​iPS-celler i lægemiddeludvikling.

En tredje test satte cellerne mod to lægemidler. Den ene var adrenalin, som udløser kamp-eller-flugt-reaktionen og fremskynder en persons puls. Vi kan se det her: slå, slå, slå, sagde Parker og viste mig et dias med en EKG-linje. Din puls stiger dramatisk, så det betyder, at du er okay - du kan løbe fra den bjørn. Forskerne faldt derefter i en sympatisk agonist, et lægemiddel, der bremser hjertet langt ned. Så dine celler kan slappe af efter at have løbet fra den bjørn, sagde Parker. Da jeg sendte Euan Ashley mine testresultater, bekræftede han min vedvarende normalitet – og bekræftede, at de pågældende celler var, hvad de skulle være. Disse test beviser, at cellerne er kardiomyocytter, sagde han, hvilket på dette tidlige stadium i denne videnskab er vigtigt.

Et par uger senere kørte CDI endnu en runde af eksperimenter, der udsatte mine celler for lægemidler med kendte toksiske bivirkninger. Først kom Hismanal, et antihistamin, og Propulsid, et lægemiddel til behandling af gastrointestinale lidelser. Begge lægemidler blev trukket fra markedet i mange lande, herunder USA, fordi de var forbundet med sjældne, men potentielt livstruende hjertearytmier. Denne tilbøjelighed skyldes den uventede og uønskede bivirkning af både lægemidler, der blokerer og forstyrrer den normale aktivitet af en specifik ionkanal i hjertet, sagde en rapport, som blev sendt til mig via e-mail fra CDI. Begge lægemidler havde lignende virkninger på David Duncans iPS-afledte kardiomyocytter: en dosisafhængig stigning i varigheden af ​​aktionspotentialet ... Forlænget aktionspotentiale varighed er en anerkendt udløser for hjertearytmi, der kan resultere i pludselig død.

Til en anden runde af farmaceutiske tests udsatte forskerne mine celler for to kræftlægemidler: Gleevec, der mest bruges til at behandle nogle former for leukæmi, og Sutent, der bruges til at behandle tumorer i maven, tarmen og spiserøret. Begge lægemidler har bivirkninger, der omfatter skader på hjertet, selvom de forbliver i brug, fordi de sygdomme, de behandler, er så alvorlige. In vitro-tests på David Duncans iPS-afledte kardiomyocytter viste, at begge lægemidler havde negative virkninger, sagde min rapport, og at den Gleevec-medierede effekt kan være forårsaget af forstyrrelse af mitokondriefunktionen. Igen var reaktionerne fra mine celler ikke atypiske, selvom forskerne fortalte mig, at hvis jeg havde kræft, ville yderligere test muligvis vise specifikke reaktioner, der kunne hjælpe en læge med at beslutte, hvilken medicin der var bedst for mig.

Ashley fortalte mig, at iPS-genererede hjerteceller tilbyder et stort potentiale som en måde at teste kræftbehandlinger på. Kemomedicin er virkelig hårdt for hjerter og hjerteceller, sagde han. Hvis denne teknologi kan hjælpe, vil det være rigtig vigtigt.

CDI har fortalt mig, at efterhånden som videnskaben udvikler sig, kan den køre test baseret på den omfattende DNA-sekventering, jeg havde lavet for en nylig bog, Eksperimentel mand . Jeg ville især være interesseret i en test, der kunne afgøre, hvor bekymret jeg skulle være over en genetisk risikofaktor for bivirkninger af kolesterolsænkende statiner. Ifølge min genetiske profil har jeg en betydelig risiko for myopati – muskelsvaghed – hvis jeg tager visse former for disse lægemidler. Denne tilstand skyldes dog et funktionsfejl, der produceres af leveren, ikke hjertet, så at finde ud af det afhænger af, om CDI er villig til at skabe leverceller fra min iPS-linje.

Før jeg forlod CDI-laboratoriet, tog jeg endnu et kig på mine hjerteceller, der hamrede væk i deres petriskål i en slags freakish mambo, og jeg spekulerede på, hvornår sådanne banker af individuelle celler ville blive en rutinemæssig del af lægebehandlingen. Der er mange forhindringer tilbage, før dette kan ske, inklusive de høje omkostninger ved at fremstille cellerne. Men på trods af omkostningerne, siger Thomson, vil der være mennesker, der vil gøre dette - velhavende, tidlige adoptanter, der ønsker at vide om en sygdom eller et lægemiddel. Eller nogle mennesker gør det måske, fordi de synes, det er fedt at have deres bankende hjerteceller.

Hvad mig angår, er jeg stadig forbløffet over, at kardiomyocytterne i fadet er en del af mig - endsige over, at de en dag kan blive brugt som stuntdobler for mine rigtige celler.

David Ewing Duncan er en San Francisco-baseret forfatter. Hans seneste bog er Eksperimentel mand: Hvad en mands krop afslører om hans fremtid, dit helbred og vores giftige verden.

skjule