Udar mózgu: jak komórki macierzyste mogą pomóc?
Udar mózgu to druga co do częstotliwości przyczyna zgonów na świecie i główny czynnik niepełnosprawności w Europie. Udar następuje, kiedy znacząco ograniczony zostanie dopływ krwi do części mózgu, często kończący się poważnymi konsekwencjami dla organizmu. W zależności od stopnia i miejsca wystąpienia udaru, około jedna trzecia osób z udarem powraca do względnej sprawności, ale większość doświadcza trwałych konsekwencji lub ciężkiej niepełnosprawności. Czy terapia komórkami macierzystymi mogłaby pomóc?
Znaczące ograniczenie przepływu krwi pojawiające się przy udarze może poważnie uszkodzić części mózgu lub nawet doprowadzić do śmierci.
Każda osoba bez względu na wiek może mieć udar, ale wiek, rodzinna historia choroby i tryb życia mogą wpływać na ryzyko wystąpienia udaru.
Najskuteczniejsze leczenie osoby z udarem to jak najszybsze przywrócenie przepływu krwi.
Nerwowe komórki macierzyste mogę tworzyć każdą komórkę w mózgu i naturalnie naprawiać małe zniszczenia mózgu. Naukowcy mają nadzieję, że leczenie komórkami macierzystymi pomoże ofiarom udaru poprzez częściowe naprawienie uszkodzonego mózgu.
Naukowcy chcą zrozumieć sygnały kontrolujące nerwowe komórki macierzyste w celu zaprojektowania lepszych terapii.
Pracują nad rozwojem leków wspomagających już istniejące nerwowe komórki macierzyste do podziałów, migracji do zniszczonych obszarów i rozpoczęcia procesów naprawczych.
W mózgu znajduje się ograniczona ilość nerwowych komórek macierzystych, ale mogą one być wyhodowane w większej ilości w laboratorium z iPSC. Komórki te mogą powodować nowotwory lub więcej zniszczeń w mózgu, jeśli nie są poprawnie wytworzone. Dalsze badania muszą pokazać, że komórki z laboratorium są bezpieczne i efektywne.
Leczenie nerwowymi komórkami macierzystymi musi zapewnić odbudowę części mózgu, ale także systemu krwionośnego (zapewniającego przepływ krwi) oraz złożonej sieci połączeń pomiędzy komórkami nerwowymi. Naturalne procesy naprawcze nerwowych komórek macierzystych mogą zrobić część z tych rzeczy, ale naukowcy muszą nauczyć się bardzo wiele, aby wspierać te komórki w procesie odbudowy.
Udar niszczy duże obszary mózgu. Chociaż terapie i leczenie komórkami macierzystymi może pomóc w odtworzeniu funkcji motorycznych pacjentów i odbudowie części mózgu, mocno uszkodzone części pozostaną trwale zniszczone.
Udar występuje, kiedy dostarczenie krwi do jednej lub wielu części mózgu zostanie ograniczony lub kompletnie zablokowany. Blokada może być czasowa lub trwała i może być spowodowana na dwa różne sposoby:
- Przy udarze niedokrwiennym zakrzep blokuje dopływ krwi do mózgu
- Przy udarze krwotocznym naczynia krwionośne pękają i krwawią do mózgu
Wszystkie części mózgu potrzebują odpowiedniego dopływu krwi do prawidłowego funkcjonowania. Kiedy przepływ krwi jest ograniczony lub zablokowany, składniki odżywcze i tlen nie mogą dotrzeć do komórek w mózgu i ulegają one zniszczeniu lub śmierci. Konsekwencje dla organizmu zależne są od tego, która część mózgu uległa uszkodzeniu i jak długo krew nie dopływała. Udar może wpływać na ruch, mowę, procesy myślowe i pamięć. Może też powodować paraliż jednej lub większej części ciała, a także utratę kontroli nad funkcjami organizmu. Około 40% osób dotkniętych przez udar będzie miało trwałe symptomy, przez które osoby te będą wymagały specjalistycznej opieki. U wielu osób skutki udaru z czasem ustępują, ale tylko 10% pacjentów powraca w pełni do zdrowia.
Każda osoba w dowolnym wieku narażona jest na wystąpienie udaru, ale występują pewne czynniki ryzyka. Szanse na wystąpienie udaru wzrastają na przykład wraz z wiekiem. Pewne grupy etniczne są bardziej podatne na wystąpienie udaru, a także wystąpienie udaru wśród członków rodziny zwiększa szanse, że ty również możesz być narażony. Istnieją również czynniki ryzyka, które możemy zminimalizować poprzez zmianę trybu życia, takie jak leczenie nadciśnienia, dieta uboga w tłuszcz i sól, rzucenie palenia i bycie aktywnym fizycznie.
Najważniejszym czynnikiem w leczeniu udaru jest jak najszybsze udzielenie pomocy przez wykwalifikowany personel medyczny. Im szybciej zostanie przywrócony przepływ krwi, tym mniej zniszczeń w mózgu i tym większe szanse na powrót do pełnej sprawności. Pacjenci, którzy znaleźli się w szpitalu w ciągu 3-4 godzin po wystąpieniu objawów udaru, mogą otrzymać lek trombolityczny, który znacząco redukuje ryzyko niepełnosprawności i poprawia długoterminowo jakość życia. Z tego powodu, jeśli zachodzi podejrzenie udaru konieczna jest konsultacja medyczna. The Stroke Association oraz Fundacja Udaru Mózgu podają proste porady jak rozpoznać pierwsze objawy udaru i szybko zareagować.
Po udarze, obecne terapie skupiają się na pomocy nieuszkodzonym obszarom mózgu w przywróceniu utraconych umiejętności takich jak chodzenie czy mówienie (zwane neurorehabilitacją). Wymaga to współpracy wielu różnorodnych specjalistów takich jak neurolodzy, logopedzi pielęgniarze czy fizjoterapeuci. W niektórych przypadkach, zdrowe obszary mózgu mogą przejąć funkcje z uszkodzonych obszarów dotkniętych udarem. Niestety ciężko uszkodzone obszary mózgu nie mogą się odnowić, ponieważ utracone komórki mózgu nie mogą zostać zastąpione. Naukowcy mają nadzieję, że w takiej sytuacji pomocne będą komórki macierzyste, pomagając nam znaleźć sposób, aby pobudzić system naprawczy organizmu.
Jednym z powodów, dla których pomoc ludziom po udarze może okazać się trudna jest to, że udar niszczy wiele różnych typów komórek w mózgu. Oznacza to, że jeśli chcemy opracować metodę zastępowania utraconych lub zniszczonych komórek musimy:
- Nauczyć się hodować wiele różnych typów komórek mózgu lub odpowiednich typów komórek macierzystych, które wytworzą potrzebne komórki mózgu
- Pokazać, że wyhodowane komórki działają poprawnie
- Zrozumieć jak umożliwić tym komórkom poprawne zorganizowanie się w taki sposób jak w zdrowym mózgu; odtworzenie skomplikowanych połączeń pomiędzy różnymi obszarami mózgu oraz połączenie komórek z systemem krwionośnym mózgu
To są wielkie wyzwania. Naukowcy od wielu lat pracują nad rozwojem potencjalnych metod ‘zastępowania zniszczonych komórek’ po udarze. Badane są również alternatywne sposoby użycia komórek macierzystych w leczeniu udaru. Na przykład badania nad komórkami macierzystymi mogą być użyte do rozwoju nowych leków, które stymulowałyby własne mechanizmy naprawy mózgu, włączając w to jego własne komórki macierzyste, do wytworzenia nowych komórek potrzebnych do wyleczenia.
Pierwsze badania nad rozwojem metod zastępowania komórek po udarze były prowadzone na komórkach mózgowych pochodzących z pewnego typu nowotworu zwanego potworniakorak (ang.: teratocarcinoma). Naukowcy odkryli, że można używać komórek macierzystych z potwornikoraka do wytworzenia neuronów (komórek nerwowych mózgu) w laboratorium. Następnie przeszczepili te wyhodowane neurony do mózgów szczurów po udarze i wykazali, że przeszczepione komórki były w stanie zintegrować się ze szczurzymi mózgami. To badanie doprowadziło w roku 2000 do prób klinicznych w celu oszacowania bezpieczeństwa przeszczepienia neuronów pochodzących z ludzkiego potworniakoraka do mózgu osoby po udarze. Pomimo, że te początkowe próby kliniczne sugerowały, iż przeszczepione komórki przetrwały i mogły nawet przynosić pewne korzyści u niewielkiej ilości pacjentów, dalsze badania w 2005 roku nie potwierdziły żadnych korzyści dla pacjentów. Nowotworowe pochodzenie przeszczepianych komórek oraz brak korzyści wynikających z przeszczepu skłoniło naukowców do skupienia się nad znalezieniem innego źródła komórek macierzystych.
Komórki macierzyste mózgu, zwane nerwowymi komórkami macierzystymi, są jednym z głównych typów komórek macierzystych badanych w kontekście możliwego leczenia udaru. Te komórki macierzyste zdolne są do podziałów oraz namnażania i mogą tworzyć wszystkie typy komórek występujących w mózgu. Komórki te mogą zostać pozyskane z tkanek płodu lub pewnych części mózgu dorosłego, ale z obu tych źródeł pozyskać można niewielką liczbę tych komórek. Główną wadą tych komórek jest to, że nie są identyczne z własnymi komórkami pacjenta, co oznacza, że mogą zostać odrzucone po przeszczepie, jeśli nie zostaną podane leki wyciszające układ odpornościowy pacjenta. Dodatkowo, użycie tkanek pozyskanych z płodów stanowi temat debaty etycznej, a pozyskiwanie nerwowych komórek macierzystych z mózgu osoby dorosłej wymaga skomplikowanej operacji i stanowi znaczące ryzyko dla dawcy komórek.
Pomimo wyzwań związanych z pozyskiwaniem nerwowych komórek macierzystych, obiecujące są wyniki badań na gryzoniach. Badania te sugerują, że wstrzyknięte do mózgu nerwowe komórki macierzyste mogę wybiórczo poruszać się w stronę uszkodzonych obszarów. Na miejscu mogę pomagać przy zastępowaniu zniszczonej tkanki i wspomagać własne mechanizmy naprawcze mózgu poprzez uwalnianie substancji, które redukują zapalenie i poprawiają przeżywalność istniejących neuronów. Przeszczep nerwowych komórek macierzystych do mózgu pozostaje jednak bardzo trudnym i długotrwałym wyzwaniem.
Inni naukowcy sugerują, że inna metoda może być również użyteczna. Istnieją pewne dowody, że niektóre substancje chemiczne mogą być używane do wspomagania komórek macierzystych już istniejących w mózgu do wielokrotnych podziałów i migracji w stronę zniszczonych obszarów. To może stworzyć nowe możliwości w leczeniu skutków udarów poprzez używanie środków leczniczych.
Embrionalne komórki macierzyste i indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste (iPS) wykorzystywane są w laboratorium do hodowli nerwowych komórek macierzystych na dużą skalę. Zarówno embrionalne jak i indukowane komórki macierzyste są pluripotencjalne – mogą tworzyć wszystkie typy komórek w naszym ciele. Poznanie jak kontrolować ten proces przy produkcji nerwowych komórek macierzystych pozwoliłoby na rozwiązanie wielu problemów, przed którymi stoją naukowcy poszukujący odpowiedniego źródła komórek do celów terapeutycznych. Niezwykłe właściwości embrionalnych komórek macierzystych i komórek iPS oznaczają również, że mogę one tworzyć nowotwory i takie ryzyko musi być wzięte pod uwagę przed wykorzystaniem ich w próbach klinicznych obiecujących nowych terapii u ludzi po udarze.
Po raz pierwszy embrionalne komórki macierzyste wykorzystane były w badaniach nad leczeniem udaru w 2005 roku, gdy nerwowe komórki macierzyste pochodzące z embrionalnych komórek macierzystych zostały wstrzyknięte do mózgu szczura. Zaobserwowano, że przeszczepione nerwowe komórki macierzyste mogę tworzyć różne typy wyspecjalizowanych neuronów (komórek nerwowych) w mózgu. W 2006 roku grupa badawcza z Niemiec pokazała, że nerwowe komórki macierzyste stworzone w ten sposób, nie tylko przetrwały i przekształciły się w nerwowe komórki w mózgu, ale także neurony te tworzyły połączenia z istniejącymi już neuronami w mózgu. W latach 2008-2009 inne grupy badawcze pokazały, że przeszczepione neurony stworzone z ludzkich embrionalnych komórek macierzystych były zdolne do zintegrowania się z mózgiem szczura po przebytym udarze niedokrwiennym. Naukowcy zaobserwowali poprawę w poruszaniu się zwierząt po wykonanym przeszczepie. Obecne badania prowadzone przez grupy ze Szwecji i Niemiec pokazują podobne rezultaty u myszy i szczurów przy użyciu nerwowych komórek macierzystych uzyskanych z ludzkich komórek iPS.
Pomimo tych obiecujących wyników laboratoryjnych, jeszcze wiele badań jest potrzebnych, aby rozważyć użycie embrionalnych komórek macierzystych lub komórek iPS w leczeniu skutków udaru u ludzi. Naukowcy muszą dokładnie zrozumieć jak instruować pluripotencjalne komórki macierzyste do produkcji tylko wymaganego typu komórek nerwowych i opracować procedury przeszczepu, które będą bezpieczne i efektywne, a także zbadać długotrwały efekt po przeszczepie.
Mezenchymalne komórki macierzyste (MSCs) są obecnie jednymi z najczęściej używanych typów komórek macierzystych w próbach klinicznych przy udarze. Mogę one być stosunkowo łatwo pozyskane i hodowane ze szpiku pacjenta i mogą różnicować się w komórki tłuszczu, chrząstki lub kości. Komórki podobne do MSCs mogą również być pozyskiwane z takich źródeł jak krew pępowinowa lub tkanka tłuszczowa, ale dokładna tożsamość i natura tych komórek jest ciągle obiektem naukowej debaty.
MSCs ze szpiku i komórki pozyskane z tkanki tłuszczowej zostały wstrzyknięte do mózgu lub żyły w nodze szczura z uszkodzeniami mózgu przypominającymi udar. W tych badaniach, zwierzęta, które otrzymały komórki miały zmniejszony obszar zniszczeń w mózgu w porównaniu do zwierząt, które nie otrzymał zastrzyku. Wydaje się, że wstrzyknięte komórki wędrują do zniszczonego miejsca w mózgu, ale to nie jest kluczowe do uzyskania korzystnego efektu, ponieważ MSCs nie mogą wytworzyć nowych komórek mózgu. Naukowcy prowadzący takie badania uważają, że wstrzyknięte MSCs produkują i uwalniają substancje, które redukują stan zapalny i stymulują mechanizmy samonaprawy w mózgu. Więcej badań jest potrzebnych do pełnego zrozumienia jak to dokładnie działa zanim skuteczne terapie będą opracowane.
W 2005 roku grupa naukowców z Korei Południowej poinformowała o próbie klinicznej na pięciu pacjentach, którym wstrzyknięto komórki MSCs do mózgu. Po jednym roku wyniki pokazały, że wstrzyknięte MSCs są bezpieczne, ale nie ma jasnych dowodów na to, czy komórki te poprawiły stan pacjentów. Ci sami naukowcy opisali podobne badania w 2010 roku, w których większa grupa pacjentów otrzymała MSCs i była monitorowana przez kolejnych pięć lat. Wyniki badań były bardzo podobne do tych z pierwszego eksperymentu. Pytanie zatem pozostaje otwarte: czy MSCs mogą dostarczyć korzyści pacjentom po udarze.
Jeszcze żadne terapie komórkami macierzystymi nie są dostępne w leczeniu skutków udaru. Naukowcy z całego świata używają różnych typów komórek macierzystych w badaniach procesów działania mózgu, a także do badania jak zniszczenia spowodowane udarem mogę zostać naprawione. Część prób klinicznych jest w trakcie badań. Na przykład badania PISCES są prowadzone przez firmę z Wielkiej Brytanii ReNeuron, która wyhodowała nerwowe komórki macierzyste z tkanek płodu. W 2012 roku opisali oni wyniki badań ze wczesnego etapu próby klinicznej dotyczącej testowania bezpieczeństwa wstrzykniętych komórek do mózgu pięciu pacjentów. Żadna z tych osób nie doświadczyła skutków ubocznych. Obecnie ReNeuron ubiega się o pozwolenie od rządu Wielkiej Brytanii na zapoczątkowanie prób na większej ilości pacjentów w celu zbadania czy przeszczep tego typu nerwowych komórek macierzystych przynosi korzyści w leczeniu. Publiczny rejestr prób klinicznych clinicaltrials.gov zawiera co najmniej kolejnych 25 badań z użyciem komórek macierzystych różnego typu w celu leczenia udaru. Większość z nich odbywa się w Chinach lub USA, ale część badań, z mniejszą ilością pacjentów, jest również w Europie.
Ciągle istnieje wiele otwartych pytań dotyczących możliwości użycia komórek macierzystych przy leczeniu skutków udaru. Na przykład: Jakie jest idealne źródło pozyskania komórek macierzystych? Jak powinny być one przeszczepiane lub czy komórki macierzyste będące już w mózgu mogą być wykorzystane? Jak dużo jest potrzebnych komórek i jak długo po udarze należy wykonać przeszczep? Jakie są potrzebne warunki do wyhodowania odpowiedniego typu komórek o wysokiej czystości i wysokim standardzie? Obecne badania starają się odpowiedzieć na te i inne ważne pytania.
Broszura została opracowana przez Serafi Cambray i zrecenzowana przez Marco Bacigaluppi i Peter Sandercock.
Tłumaczenie na język polski: Mieszko Wilk
Recenzja: Karolina Punovuori
Zdjęcie główne przedstawiające obraz z tomografu komputerowego z uszkodzeniami poudarowymi po lewej stronie, Wellcome Images. Dodatkowe zdjęcia: chroniczny udar przez Wellcome Photo Library, Wellcome Images; neurony wyhodowane z embrionalnych komórek macierzystych przez Q-L. Ying & A. Smith, Wellcome Images oraz przeszczepione mysie nerwowe komórki macierzyste przez Yirui Sun, Wellcome Images.