Choroba Parkinsona – jak mogą pomóc komórki macierzyste?

Na chorobę Parkinsona cierpią miliony ludzi na całym świecie. Dostępne obecnie metody leczenia polegają na łagodzeniu objawów choroby. Naukowcy badają, w jaki sposób medycyna regeneracyjna i komórki macierzyste mogą pomóc w zapobieganiu lub leczeniu choroby Parkinsona.

Drżenie kończyn, sztywność mięśni inne objawy choroby Parkinsona są spowodowane obumieraniem produkujących dopaminę neuronów w mózgu. Chociaż choroba uszkadza neurony produkujące dopaminę w całym mózgu, głównym obszarem dotkniętym utratą neuronów jest istota czarna.

W mózgach osób dotkniętych chorobą Parkinsona tworzą się agregaty białka nazywane ciałkami Lewy'ego.  Są one zbudowane z białka alfa-synukleiny.

Najczęściej stosowanym lekiem w choroby Parkinsona jest Levodopa (L-DOPA). W mózgu Levodopa jest przekształcana w dopaminę, która rekompensuje efekty braku produkujących dopaminę neuronów.

U około 5% osób z chorobą Parkinsona występuje dziedziczna mutacja związana z chorobą. Naukowcy badają (w badaniach klinicznych, badaniach na modelach zwierzęcych i komórkowych) jaka jest przyczyna choroby Parkinsona u pozostałych 95% przypadków.

Obiecujące rezultaty przynosi przeszczepienie osobom z chorobą Parkinsona młodych komórek mózgu izolowanych z ludzkich płodów we wcześniejszych próbach klinicznych. Badanie TRANSEURO ma na celu ponowną ocenę skuteczności tej terapii, ze szczególnym uwzględnieniem minimalizacji efektów ubocznych i oszacowania jego skuteczności.

Naukowcy są w stanie wytworzyć produkujące dopaminę neurony zarówno z ludzkich zarodkowych komórek macierzystych (ESCs), jak i z indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPSC). Neurony uzyskane z ludzkich ESCs i iPSCs dojrzewają w ludzkie neurony produkujące dopaminę i są zdolne do przeżycia i funkcjonowania po przeszczepieniu ich do mysich, szczurzych i małpich modeli choroby Parkinsona.

Nadal niewiele wiadomo o alfa-synukleinie i innych białkach kodowanych przez geny związane z chorobą Parkinsona. Dodatkowo, u tylko niewielkiego odsetka pacjentów choroba ma podłoże genetyczne. Oznacza to, że niezwykle trudno jest poznać dokładną przyczynę choroby Parkinsona.

Choć obecnie dostępne leki na chorobę Parkinsona są skuteczne, w trakcie wieloletniej terapii (i rozwoju choroby) stopniowo tracą swoją skuteczność.  Komórki macierzyste mogą stanowić źródło komórek nerwowych, które mogłyby zastąpić komórki utracone wskutek postępu choroby. Terapie z wykorzystaniem ludzkich ESCs i iPSCs nadal nie są zatwierdzone, chociaż pierwsze próby kliniczne mają rozpocząć się w 2018 roku. Badania na modelach zwierzęcych choroby Parkinsona wykazały, że neurony uzyskane z ESCs i iPSCs są bezpieczne, funkcjonalne i podobne do ludzkich komórek nerwowych istoty czarnej. Nim pozyskane w ten sposób komórki zostaną wprowadzone do terapii trzeba jednak ustalić, czy nie powodują szkodliwych efektów ubocznych i przyczyniają się do poprawy stanu pacjentów z chorobą Parkinsona.

Neurons grown from embryonic stem cells

Osoby cierpiące na chorobę Parkinsona nie mają wystarczającej ilości dopaminy – związku chemicznego umożliwiającego przesyłanie sygnałów do ośrodków w mózgu odpowiedzialnych za kontrolę ruchów i myślenie. Choroba prowadzi do zaniku komórek nerwowych, które produkują dopaminę, zlokalizowanych w części mózgu określanej jako istota czarna. Rozwój choroby wpływa także na funkcjonowanie innych komórek nerwowych, czego skutkiem są problemy ze snem, procesami myślowymi itp. Choroba Parkinsona związana jest także z powstawaniem agregatów białka alfa-synukleiny w mózgu. Skupiska te określane są jako ciała Lewy’ego.

W miarę zaniku komórek nerwowych produkujących dopaminę u osoby chorej pojawiają się takie objawy, jak drganie kończyn, ich sztywność, a także spowolnienie ruchów. Ponadto może dojść do zaniku powonienia, problemów ze snem, depresji, zatwardzenia, a także – wraz z rozwojem choroby – do demencji.

Naukowcy wciąż próbują poznać przyczyny rozwoju choroby Parkinsona. U 1 na 20 chorych choroba spowodowana jest mutacją zaburzającą powstawanie alfa-synukleiny. W pozostałych 95% przypadków przyczyny rozwoju choroby pozostają niejasne. Choroba Parkinsona dotyka głównie osoby powyżej 40. roku życia, ale może wystąpić również u osób młodszych, częściej u mężczyzn niż kobiet. Niektóre badania wskazują na zależność między rozwojem choroby a obecnością pestycydów w środowisku, podczas gdy palenie tytoniu i picie kawy wydaje się obniżać ryzyko rozwoju choroby, choć mechanizm tego zjawiska pozostaje nieznany.

Obecnie dostępne leczenie choroby Parkinsona polega na stosowaniu leku Levodopa, który odkryto w latach 60. W ciele pacjenta lek zostaje zamieniony w dopaminę, dzięki czemu zastępuje utracone neurony produkujące dopaminę. Inne leki działają podobnie jak dopamina, stymulując komórki nerwowe. Terapia obejmuje również odpowiednią dietę i ćwiczenia, a także terapię zajęciową i fizjoterapię. Leczenie chirurgiczne, takie jak stymulacja mózgu przez wszczepione elektrody, jest stosowane w bardziej zaawansowanych stadiach choroby, zwłaszcza takich, przy których leczenie farmakologiczne nie daje odpowiednich rezultatów.

Obecnie stosowane metody łagodzą objawy choroby Parkinsona, ale nie spowalniają i nie odwracają uszkodzeń w układzie nerwowym. W miarę upływu czasu stan pacjenta pogarsza się. Choroba Parkinsona często diagnozowana jest po wielu latach, gdy ponad połowa neuronów produkujących dopaminę została już uszkodzona. Testy umożliwiające wcześniejsze wykrycie choroby są potrzebne, ale naukowcy poszukują również sposobu na zastąpienie uszkodzonych komórek.

Choć dokładne przyczyny rozwoju choroby Parkinsona są nieznane, naukowcy wiedzą, które komórki i partie mózgu są uszkadzane podczas choroby. Badacze wykorzystują obecnie komórki macierzyste w celu uzyskania z nich neuronów produkujących dopaminę. Dzięki temu mogą badać mechanizmy rozwoju choroby Parkinsona, zwłaszcza w przypadkach, kiedy ma ona podłoże genetyczne. Ponieważ choroba ta prowadzi do utraty jednego określonego rodzaju komórek, możliwe jest, że uszkodzone neurony będzie można zastąpić zdrowymi komórki uzyskanymi w laboratorium.

Zastępowanie utraconych komórek

Przeszczep komórek może być skuteczną metodą leczenia choroby Parkinsona. W latach 80. i 90. XX wieku szwedzcy, amerykańscy i kanadyjscy badacze przeprowadzili pierwsze próby polegające na transplantacji komórek produkujących dopaminę (uzyskanych z ludzkich płodów) do zwierząt i ludzi z chorobą Parkinsona. W niektórych przypadkach zaobserwowano znaczącą poprawę stanu pacjentów po transplantacji. Wyniki te doprowadziły do rozpoczęcia szerszych badań, które wykazały, że u niektórych pacjentów efektem ubocznym przeszczepu są niekontrolowane ruchy, które obserwuje się również w przypadku leczenia L-dopa. Przyczyna pojawienia się tych efektów ubocznych pozostaje ciągle nieokreślona, ale mogą być one związane z transplantacją komórek innych niż neurony produkujące dopaminę, znajdujących się w tkankach uzyskanych z ludzkich płodów. Dodatkowo stwierdzono, że zmiany charakterystyczne dla choroby Parkinsona pojawiają się także w obrębie przeszczepu, nawet jeśli pochodziły one od młodych dawców (poniżej 20 roku życia). Może to oznaczać, że postęp choroby Parkinsona związany jest z “przekazywaniem” nieprawidłowych form białka alfa synukleiny pomiędzy komórkami nerwowymi.

Nowe badanie, TRANSEURO, ma na celu sprawdzenie, czy możliwe jest wydajne przeszczepienie płodowych komórek produkujących dopaminę bez wystąpienia efektów ubocznych. Przewidywane są także nowe badania kliniczne.

Naukowcy są przekonani, że przeszczepienie młodych komórek do mózgu może pomóc w leczeniu choroby Parkinsona, jednak ilość tkanki izolowanej z płodów nie jest wystarczająca do wyleczenia dużej liczby chorych. Co więcej, wykorzystanie tkanek pochodzących z ludzkich płodów budzi kontrowersje etyczne. Naukowcy próbują więc wykorzystać komórki macierzyste jako alternatywne źródło komórek produkujących dopaminę:

  • Zarodkowe komórki macierzyste (komórki ES) mogą być przekształcane w neurony produkujące dopaminę, które można by transplantować do pacjentów. Takie komórki uzyskano zarówno z mysich, jak i ludzkich zarodkowych komórek macierzystych. Badania z wykorzystaniem szczurzego modelu choroby Parkinsona wykazały, że przeszczep zróżnicowanych ludzkich komórek ES przyniósł podobny efekt, jak transplantacja komórek płodowych.
  • Indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste (komórki iPS) mogą być uzyskane w warunkach laboratoryjnych z komórek skóry pacjenta, a następnie przekształcone w neurony produkujące dopaminę. Ostatnie badania na szczurzych i małpich modelach wykazały, że neurony produkujące dopaminę przeżywają i dojrzewają po przeszczepieniu.

Poznawanie choroby i odkrywanie leków

Transplantacja to nie jedyny sposób wykorzystania komórek macierzystych w terapii. Naukowcy uzyskują komórki iPS od pacjentów z chorobą Parkinsona i różnicują je w neurony w laboratorium. Tak uzyskane neurony są bardzo cennym narzędziem w badaniach nad chorobą Parkinsona, a także do sprawdzania substancji, które mogłyby stać się nowymi lekami w terapii tej choroby.

Terapie choroby Parkinsona wykorzystujące komórki macierzyste są wciąż opracowywane. W ostatnim czasie udoskonalono metody uzyskiwania neuronów produkujących dopaminę w laboratorium. Aktualne badania mają na celu wzmocnienie korzystnych skutków transplantacji i ograniczenie efektów ubocznych, a także znalezienie odpowiedzi na pytanie, jakie podłoże ma ta choroba i jak można wykorzystać komórki macierzyste do opracowywania  nowych leków.

Terapia komórkowa: przykłady

Badacze, którzy badają w jakich sposób z komórek macierzystych można uzyskać neurony produkujące dopaminę nawiązali ścisłą współpracę która ma na celu wymianę doświadczeń pomiędzy grupami badawczymi. Ma to na celu przyspieszenie badań mających na celu uzyskanie bezpiecznych i bardziej skutecznych komórek, które można wykorzystać w badaniach klinicznych. Konsorcjum G-FORCE PD zrzesza światowych specjalistów w tej dziedzinie z Japonii, Szwecji UK i USA.

Nasze dotychczasowe badania na modelach zwierzęcych wskazują, że ludzkie ludzkie neurony produkujące dopaminę uzyskane z komórek ES i iPS mogą dojrzewać i są funkcjonalne po przeszczepieniu i, co niezmiernie istotne, nie tworzą guzów. Wykazaliśmy również, że uzyskane w laboratorium neurony są prawie identyczne z komórkami izolowanymi z ludzkich płodów. Opracowaliśmy protokoły, które umożliwiają nam uzyskanie dużej liczby neuronów produkujących dopaminę w ściśle kontrolowany przez nas sposób - co prowadzi do uzyskania jednolitej populacji komórek, które mogłyby zostać wykorzystane w próbach klinicznych.  

Dzieląc się wynikami naszych badań, mamy nadzieję już wkrótce rozpocząć liczne badania kliniczne wykorzystujące zarówno komórki ES, jak i iPS, z zachowaniem wysokiej jakości, wydajności i bezpieczeństwa komórek, aby mogły być użyte w pierwszych próbach klinicznych.

Poszukiwanie nowych leków: przykład

Naukowcy wykorzystują komórki iPS w badaniach, których celem jest zrozumienie, dlaczego niektóre osoby są podatne na wystąpienie choroby Parkinsona. W badaniach prowadzonych przez grupę kierowaną przez Tilo Kunatha (Edynburg, Wielka Brytania) wykorzystywane są komórki iPS uzyskane od matki i córki, u których choroba Parkinsona ma podłoże genetyczne. Matka cierpi na chorobę Parkinsona, podczas gdy jej córka nie odziedziczyła mutacji powodującej chorobę. Porównanie zdolności komórek iPS do różnicowania w neurony i zbadanie właściwości uzyskanych komórek jest szansą na odkrycie mechanizmów rozwoju choroby i znalezienie nowych leków.

Terapie choroby Parkinsona z wykorzystaniem komórek macierzystych nie są jeszcze dostępne. W ostatnich latach poczyniliśmy jednak znaczne postępy, które pozwolą na rozpoczęcie pierwszych prób klinicznych w 2018 roku. Obecnie główne wyzwania to:

  • opracowanie warunków hodowli, które umożliwią uzyskanie wystarczającej liczby neuronów w odpowiednio bezpieczny sposób, aby można było wykorzystać te komórki w terapii
  • dowiedzenie, że neurony uzyskane z komórek macierzystych są bezpieczne do wykorzystanie w terapii  choroby Parkinsona
  • przeprowadzenie prób klinicznych, które potwierdzałyby wyniki uzyskane z wykorzystaniem modeli zwierzęcych
  • opracowanie optymalnej metody transplantacji komórek do mózgu bez wywoływania skutków ubocznych.

Materiały przygotowane przez Lou Robsona.

Sprawdzone przez Tilo Kunatha, Olle Lindvalla, Clare Blackburn oraz Rogera Barkera w 2014 roku.

Sprawdzone i zaktualizowane przez Malin Parmar w 2016 roku.

Sprawdzone i zaktualizowane przez Malin Parmar i Shane’a Grealisha w 2018 roku.

Przetłumaczone na język polski przez Barbarę Świerczek.

Zdjęcie neuronu uzyskanego z zarodkowych komórek macierzystych: Sally Lowell. Zdjęcie zielonych komórek nerwowych: Tilo Kunath. Zdjęcie komórek produkujących dopaminę: Tilo Kunath, wykorzystane za zgodą z publikacji: Devine MJ, Ryten M, Vodicka P, Thomson AJ, Burdon T, Houlden H, Cavaleri F, Nagano M, Drummond NJ, Taanman JW, Schapira AH, Gwinn K, Hardy J, Lewis PA, Kunath T. 2011. Parkinson’s disease induced pluripotent stem cells with triplication of the α-synuclein locus. Nature Communications 2:440. doi:10.1038/ncomms1453.