Lessen voor de 21 Eeuw Stamcellen: therapie voor de

Lessen voor de 21ste Eeuw
Stamcellen: therapie voor de toekomst?
Catherine Verfaillie
Leuven, 7 November, 2005
1
Stamcellen
Definitie
Type stamcellen
Toepassingen van stamcellen in geneeskunde
Ethische en morele vragen omtrent stamcellen
Hoe wordt stamceltherapie realiteit
2
Stamcel: definitie
differentiëren
hernieuwen
3
Eckfeldt, Mendenhall, Verfaillie. NATURE REVIEWS | MOLECULAR CELL BIOLOGY, 2005
4
Embryonale stamcel (ES cel) wordt niet oud
Bevruchte eicel
Blastocyst
placenta
Binnenste celmasa
ES cellijn
5
ES cellen produceren alle cellen van een muis
+
chimere muis
6
Humane ES cellen differentiëren ook in alle(?) celtypes
darm
nier
bot
hersenen
In Vitro Fertilizatie
TERATOMA
7
Differentiatie van humane ES cellen in vitro
8
Enthousiasme omwille van ES cellen
•
Wordt niet oud en differentiëert in alle celtypes
•
Dus: ES cellen kunnen alle ziektes helen?
•
ES cellen als model voor ziekte?
9
Prenatale genetische diagnose + ES cellijnen
8-cell embryo
Biopsie van 1 blastomeer (cel)
PCR voor
genetische ziekte
Gemuteerd embryo
Normaal embryo
Blastocyst cultuur
Implanteren
ES cellijn met
genetische ziekte
10
Condities waarvoor prenatale genetische diagnose
wordt gebruikt
at risk of transmitting X-linked or single gene disorders such as:
– Cystic fibrosis
– Lesch Nyhan
– Tay Sachs
– Huntington disease
– Myotonic dystrophy
– Spinal cerebellar ataxia
– Spinal muscular atrophy-1 (SMA-1)
– Duchenne muscular dystrophy
– VCFS/DiGeorge syndromes
– Fanconi anemia-A
– SCIDS (autosomal recessive mutation of ADA)
– Hemophilia A
– RH incompatibility
– Human Platelet Antigen (PLA-1)
11
Maar, ook controverse rond ES cellen
•
Teratomas (niet kwaadaardige tumor)
•
Allogeen (van andere persoon)
•
Vernietiging van blastocyst
12
ONBEVRUCHTE
EICEL
NUCLEUS WORDT
VERWIJDERD
GEKLOOND
EMBRYO
NUCLEUS TRANSFER
HUIDCEL
ES CELLIJN
BLASTOCYST
KLONEN VOOR REPRODUKTIE
BEEN-CEL
NEURALE CELLEN
LEVERCEL
“AUTOLOGE” STAMCEL THERAPIE
ZIEKTE MODEL
13
Wetenschappelijke redenen tegen reproductief klonen
•
Hoog aantal abnormale embryos
•
Heel weinig levende geboortes
•
Medische problemen met gekloonde
dieren
14
Morele redenen tegen reproductief klonen
“copycat”
15
“Volwassen” stamcel
hersenen
Hersencellen
hart
Hartspier
beenmerg
Bloed
16
Beenmerg stamcellen zijn ook meer potent?
Skeletale spier
Cardiale spier
HSC
Beenmerg
Bloed +
Neuronen / glia
Levercellen
17
Isolatie van “pluripotente” stamcellen uit beenmerg kweken
•
2002
– Toma: Skin derived progenitor (SKP) (Nature Cell Biol)
– Jiang: Multipotent adult progenitor cell (MAPC) (Nature)
•
2004
– D’Ipolitti: Marrow-isolated adult multilineage inducible (MIAMI) cell (J Cell Science)
– Kogler: Unrestricted somatic stem cell (USSC) (J Exp Med)
•
2005
– Yoon: BM-derived multipotent stem cell (BMSCs) (J Clin Invest)
– Bonnet: Flk1/SSEA1/Oct4+ MSC (Personal communication)
– Von Laere: MAPCs (Personal communication)
18
Oops!
All the inventions that the world contains,
were not by reason first found out, nor brains
but pass for theirs who had the luck
to light upon them by mistake or oversight
Samuel Butler
19
Multipotente Adulte Progenitor Cel (MAPcel) ondergaat
geen senescence (oud worden)
Mens
Aap
Varken
Muis
Rat
1038
1036
1034
1032
1030
1028
1026
1024
1022
1020
1018
1016
1014
1012
1010
108
106
104
102
100
Hayflick fenomeen
Kritische telomeerverkorting
0
100
200
300
Dagen in kweek
Reyes et al, Blood 2001; Jiang et al, Nature 2001
20
BOTCEL
CaPo4
KRAAKBEENCEL
Collagen II
SKELETSPIER
MAPcel
Sk Myosin
GLADDE SPIER
Sm Myosin
Reyes et al, Blood 2001; Jiang et al, Nature 2001
21
BOTCEL
CaPo4
KRAAKBEENCEL
Collagen II
SKELETSPIER
MAPcel
Sk Myosin
GLADDE SPIER
Sm Myosin
ENDOTHEELCEL
Bloedcel: NEEN
BLOEDCEL
vWF
Reyes et al, Blood 2001; Jiang et al, Nature 2001
22
BOTCEL
CaPo4
NEURON
GABA/TH
KRAAKBEENCEL
Collagen II
SKELETSPIER
MAPcel
Sk Myosin
GLADDE SPIER
Sm Myosin
ENDOTHEELCEL
BLOEDCEL
vWF
Reyes et al, Blood 2001; Jiang et al, Nature 2001
23
BOTCEL
CaPo4
NEURON
GABA/TH
KRAAKBEENCEL
INSULIN+ CEL
PDX1 TRITC
LEVERCEL
Collagen II
Alb/HNF1
SKELETSPIER
MAPcel
Sk Myosin
GLADDE SPIER
Sm Myosin
ENDOTHEELCEL
BLOEDCEL
vWF
Reyes et al, Blood 2001; Jiang et al, Nature 2001
24
BOTCEL
CaPo4
NEURON
GABA/TH
KRAAKBEENCEL
INSULIN+ CEL
PDX1 TRITC
LEVERCEL
Collagen II
Alb/HNF1
SKELETSPIER
MAPcel
HARTSPIER: NEEN
Sk Myosin
GLADDE SPIER
Sm Myosin
ENDOTHEELCEL
BLOEDCEL
vWF
Reyes et al, Blood 2001; Jiang et al, Nature 2001
25
Enthousiasme omwille van volwassen stamcellen
•
•
•
•
Sommige worden ook niet oud en differentiëren in vele celtypes
Dus: volwassen stamcellen kunnen vele ziektes genezen?
Kan misschien autoloog
Geen ethische bezwaren
26
Hoe kan dit?
Tegen dogma van ontwikkelingsbiologie!
27
Mogelijke verklaringen:
Multipele
stamcellen
Celfusie
Bloed
cel
Trans-/dedifferentiatie
Pluripotentie
ES cel
Lever
Hart
Spier
Purkinje
Spier
HSC
Tetraploide
cel
28
Enthousiasme omwille van volwassen stamcellen
•
•
•
•
Sommige worden ook niet oud en differentiëren in vele celtypes
Dus: volwassen stamcellen kunnen vele ziektes genezen?
Kan misschien autoloog
Geen ethische bezwaren
Maar, …
•
Onderzoek naar pluripotente volwassen stamcellen in kinderschoenen, en
veel nog niet geweten!
Niet duidelijk dat volwassen stamcellen even potent zijn als
embryonale stamcellen!
29
ES cellen
Volwassen stamcellen
– Welke groeifactoren,
welke genen?
- Celtherapie
– Nieuwe medicaties?
– Toxiciteit screening?
30
Bloed stamceltransplantatie
Radiotherapie
Chemotherapie
Rode
bloedcel
Lymfociet
Bloed
plaatje
Witte
bloedcel
31
Navelstrengbloed bevat heel potente bloedstamcellen,
maar,
er zijn er te weinig om een volwassene te behandelen
VRAAG:
Kunnen we die expanderen in het labo en dan gebruiken om een
volwassene te transplanteren?
32
Navelstrengbloed
Stamcel vs.
Progenitorcel
???
HET bloed stamcel gen
Eckfedt, Mendenhal, et al, PLoS Biology 2005
33
Navelstrengbloed
Stamcel vs.
Progenitor cel
>40,000 genen
Eckfedt, Mendenhal, et al, PLoS Biology 2005
Gen naam
AAA
BBB
CCC
DDD
EEE
FFF
GGG
HHH
III
JJJ
KKK
LLL
MMM
NNN
OOO
PPP
QQQ
RRR
SSS
TTT
UUU
VVV
WWW
AAA
BBB
CCC
DDD
EEE
FFF
GGG
HHH
III
…
fold higher
2.0
2.2
2.2
2.3
2.3
2.3
2.4
2.4
2.5
2.6
2.8
2.8
2.9
3.0
3.2
3.3
3.5
3.5
3.8
3.9
4.2
5.1
7.3
2.0
2.2
2.2
2.3
2.3
2.3
2.4
2.4
2.5
>200 genen
34
Navelstrengbloed
Stamcel vs.
Progenitor cel
HET bloed stamcel gen
>40,000 genen
Eckfedt, Mendenhal, et al, PLoS Biology 2005
Gen naam
AAA
BBB
CCC
DDD
EEE
FFF
GGG
HHH
III
JJJ
KKK
LLL
MMM
NNN
OOO
PPP
QQQ
RRR
SSS
TTT
UUU
VVV
WWW
AAA
BBB
CCC
DDD
EEE
FFF
GGG
HHH
III
…
fold higher
2.0
2.2
2.2
2.3
2.3
2.3
2.4
2.4
2.5
2.6
2.8
2.8
2.9
3.0
3.2
3.3
3.5
3.5
3.8
3.9
4.2
5.1
7.3
2.0
2.2
2.2
2.3
2.3
2.3
2.4
2.4
2.5
>200 genen
~20 genen
35
Combineer sequencering van humaan genoom en stamcel
technology om nieuwe groeifactoren te identificeren
• Functional genomics/proteomics
– Identificatie van kandidaat genen en proteinen die
verantwoordelijk zijn voor hernieuwing en differentiatie
• Functie van genen valideren
– Modelorganisme (vis, kikker, …)
– Gevolgd door testen in ES cel, MAPcel
36
ES cellen
Volwassen stamcellen
– Welke groeifactoren,
welke genen?
- Celtherapie
– Nieuwe medicaties?
– Toxiciteit screening?
37
Aderverkalking
Diabetes
Hoog cholesterol
Hartinfarct
Voetgangreen
Hersenbloeding
Ballon angioplastie
Overbrugging
???
38
Laflamme and Murry, Nat Biotech, 2005
39
Kunnen beenmergstamcellen gebruikt worden om
hartinfarct te behandelen?
Orlic D et al Nature 2001
40
Muizen beenmerg differentiëert in hartspier, en dit verbetert
de ejectiefractie (pompfunctie) van het hart
Groene hartspier, endotheelcellen
en gladde spiercellen
Orlic D et al Nature 2001
41
Acute MI
Study
Design
n
Cell type
Delivery
method
Results
Strauer
Series
10
BM MNCs
Intracoronary
Feasible
TOPCARE
Series, historical
control
28
BM MNCs, cultured
circulating EPCs
Intracoronary
Improved EF and
perfusion
Chen
RCT, open label
69
BM mesenchymal cells
Intracoronary
Improved EF and
perfusion
BOOST
RCT, open label
60
BM MNCs
Intracoronary
Improved EF
Kang
RCT, open label
27
Peripheral G-CSFstimulated leukocytes
Intracoronary
Improved EF, ↑
restenosis
Janssens
RCT, double
blind
~70
BM MNCs
Intracoronary
REPAIR-AMI
RCT, double
blind
200
BM MNCs
Intracoronary
Ongoing
BM=bone marrow; MNC= mononuclear cell; IC= intracoronary; EPC= endothelial progenitor cell;
G-CSF= granulocyte colony stimulating factor; EF= left ventricular ejection fraction;
42
AMI: Gerandomisserde dubbel blind studie
(Prof Stefan Janssens, K U Leuven)
Cumulative ST-segment ↑ ≥ 6 mm
Time after symptom onset > 2h
Successful reperfusion post PCI
+ documented LV dysfunction
•
•
•
•
Informed consent
Acetate-PET scan
TTE
Bone marrow aspiration
+ randomization
24 hours
Beenmergstamcellen of placebo in coronairen
In-hospital monitoring (7 d)
-
Rhythm monitoring
cine MRI - LE
Stress Echo / TDI
Follow-up (4 mo)
-
Acetate-PET scan
cine MRI - LE
Stress Echo / TDI
43
Beenmerg afname
(S Janssens, K U Leuven)
•
Volume: 130±22 mL
(iliac crest - locale anaesthesie)
•
•
•
Volume na Ficoll : 10 mL,
Totale celnummer: 304 x 106 (128 x 106)
FACS analyse mononucleaire cellen:
–
–
–
–
–
–
CD34+:
CD133+:
CD90+/Thy-1:
CD105+/endoglin:
CD117+/c-kit:
CD73+:
2.8 x 106 (1.7 x 106)
2.0 x 106 (1.3 x 106)
0.2 x 106 (0.15 x 106)
2.5 x 106 (2.0 x 106)
7.0 x 106 (3.9 x 106)
32 x 106 (20 x 106)
44
45
Hoe beïnvloeden beenmergcellen het hart?
Maken nieuwe
bloedvaten
Maken nieuwe
hartspiercellen
Trophisch effect = productie (groei)factoren
Recruteren van cellen
Verhinderen dat cellen afsterven
46
Stamcellen om beroerte te behandelen?
W. Low, LR Zhao, X. Ortiz, D. Keene, M. Reyes
Transplantatie
GFP
labelen
Expansie
MAPCs
Isolatie
Beenmerg
Zhao et al, Exp Neurol, 2002
47
Limb Placement Test
W. Low, LR Zhao, X. Ortiz, D. Keene, M. Reyes
Normaal
dier
Dier met
beroerte
48
Humane MAPcellen corrigeren verlamming grotendeels,
zonder dat neuronen gevormd worden
Limb Placement Score
W. Low, LR Zhao, X. Ortiz, D. Keene, M. Reyes
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
* *
Cx
Sham
Voor transplant
Saline
CyA
2 weken nadien
MAPC
6 weken nadien
Zhao et al, Exp Neurol, 2002
49
Hoe beïnvloeden MAPcellen herseninfarct?
MAPcel
Maken nieuwe
bloedvaten
Maken nieuwe
neuronen en glia
Trophisch effect = productie (groei)factoren
Recruteren van cellen
Verhinderen dat cellen afsterven
50
Stamcellen om gangreen te voorkomen?
A Luttun, J Ross, W Chen, J Hall
1
2
1
2
51
Stamcellen om gangreen te voorkomen?
A Luttun, J Ross, W Chen, J Hall
1
2
1
2
Countercurrent
zwembad
52
Zwem test
1
2
3
4
5
sham
sham
sham
sham
sham
baseline (sec)
984
1389
1032
617
862
1
2
3
4
5
ligatie
Ligatie
ligatie
ligatie
ligatie
615
649
1246
1026
7616
test (sec)
1331
1371
1049
715
1150
%
100.0
98.7
101.6
100.0
100.0
62
82
333
105
720
10.1
12.6
26.7
10.2
9.5
mean
100.1
13.8
P<0.01
53
Stamcellen om gangreen te voorkomen?
A Luttun, J Ross, W Chen, J Hall
1
2
1
2
MAPcel
54
MAPcel injectie verbeter zwemkapaciteit significant
A Luttun, J Ross, W Chen, J Hall
70%
60%
50%
40%
30%
20%
P <0.01
10%
0%
P = NS
PBS
undiff MAPC
BMMNC
day 9
55
Verbetering in zwemkapaciteit mogelijks door
de productie van arteries en nieuwe spiercellen
Vene
Spier
Arterie
Bruin gekleurde cellen = MAPCel dochtercel
56
Hoe beïnvloeden beenmergcellen perifere ischemie?
MAPcel
Maken nieuwe
bloedvaten
Maken nieuwe
skeletale spiercellen
Trophisch effect = productie (groei)factoren
Recruteren van cellen
Verhinderen dat cellen afsterven
57
Hart
stamcel
Bloed
stamcel
MAPcel
MSC
Embryonale
stamcel
Hersen
stamcel
58
Kunnen we een arterie bouwen?
Jeff Ross, Bob Tranquillo
Adventitia
Bindweefsel
Vasculaire gladde spiercel
Media
Intima
Arteriële endotheelcel
59
Bioartificiële Arteries?
Jeff Ross, Bob Tranquillo
MAPC-gladde
spiercel + fibrine in
holle buis, rond
mandrel
Cellen breken fibrine af,
maken elastine rond de
nonadhesive mandrel
Contractie van de
structuur in korte tube
met elasticiteit
Burst pressure = ~300 mm kwik
60
Morele vragen rond stamcel onderzoek
1.
Morele status van de blastocyst
2.
Verlenging van leven vs. kwaliteit van leven?
3.
Impact op maatschappelijk leven?
4.
Stamcel therapie voor iedereen?
5.
Dure behandelingen voor “luxe” ziektes moreel verantwoord?
61
Morele vragen rond stamcel onderzoek
1.
Is creëren en gebruik van ES cellen immoreel?
Of, wat is de morele status van de blastocyst
62
Is creëren en gebruik van ES cellen immoreel
• Afhankelijk van religie, morele status van blastocyst (vroege
embryo) is ergens tussen “weefsel” en “mens”
• Wettigt het doel (genezen van ziekte) de middelen (blastocyst
vernietigen) ?
• Onderscheid tussen embryo’s gecreëerd voor in vitro
fertilizatie en embryos gecreëerd voor wetenschappelijk
onderzoek?
63
Vraag:
Aangezien volwassen stamcellen pluripotent zijn, waarom is
onderzoek op ES cellen nog nodig?
Veel te vroeg om te beslissen welke cel (ES vs. MAP cel) de beste
cel is voor behandeling van genetische of verworven ziektes
Mogelijk, indien niet waarschijnlijk, dat ES cellen beter zijn om
sommige ziektes te behandelen en dat MAPcellen beter zullen zijn
voor andere ziektes
64
Morele vragen rond stamcel onderzoek
1.
Morele status van de blastocyst
2.
Stamcellen zullen leven verlengen?
65
66
Science is desirable not only for the invention of an infinity of artifices,
which would enable us to enjoy - without pain - the fruits of the earth,
but also, and principally, for the conservation of health, which is without
doubt the primary good and the foundation of all other goods in life….
R. Descartes (Discours de la Méthode, 1637)
… Many die too late, and a few die too early.
“Die at the right time”. …
F. Nietzsche, Alzo Sprach Zaratoustra
67
Morele vragen rond stamcel onderzoek
1.
Morele status van de blastocyst?
2.
Stamcellen zullen het leven verlengen?
3.
Impact op maatschappelijk leven?
68
leeftijd verhouding
in bevolking
Impact op maatschappelijk leven?
40
30
20
S3
>75
10
0
S2
25-75
1900
1
1975
2
2050?
3
S1
0-25
jaren
69
Impact op maatschappelijk leven?
• Minder kinderen?
• Minder innovatie in werk?
• Wat met pensioen leeftijd, vergoeding?
• Wat met ziekteverzekering?
70
Morele vragen rond stamcel onderzoek
1.
Morele status van blastocyst
2.
Stamcellen zullen het leven verlengen?
3.
Impact op maatschappelijk leven?
4.
Stamcel therapie voor iedereen?
71
Stamcel therapie voor iedereen?
• Kost
– Autologe therapie niet financieel haalbaar
– Allogene therapie nog > tienduizenden Euro’s/behandeling
• Nood voor stamcel banken
– Wie betaalt?
– Hoe groot, hoeveel HLA-types?
– Indien limiet, welke HLA types?
72
Morele vragen rond stamcel onderzoek
1.
Morele status van de blastocyst
2.
Stamcellen zullen het leven verlengen?
3.
Impact op maatschappelijk leven?
4.
Stamcel therapie voor iedereen?
5.
Correct om gelden te investeren in het creëren van dure
behandelingen voor “luxe” ziektes en dan minder in het
behandelingen voor bvb. infectieziektes die grootste deel van de
wereldbevolking aantasten?
73
Hoe wordt het realiteit?
74
Heel wat werk voor de boeg!!!
√ Welke cel
• Embryonaal vs. volwassen?
• Gedifferentieerd of niet?
√ Proeven op kleine dieren
√ Proeven op grote dieren
√ Grootschalige productie
√ Fase 1 klinische testen
75
Wanneer realiteit?
#1
#2
Genetische ziektes
Diabetes
Ischemie been
Beroerte
Hartinfarct
Parkinson
Bloedziektes
Arthritis
Botontkalking
#3 ...
Ruggemergletsel
Leverziekte
Alzheimer??
Hartinfarct?
Niewe medicaties
Inzicht in ziektebeeld
76
GMPGMP-productie faciliteit
Basis
Preklinisch
Klinische (Phase I/II)
HSC
Delforge, Boogaerts, Verfaillie
Cardiaal
Janssen
Vasculair
Janssen (Luttun, Carmeliet)
Neurologisch
Robberecht
Skeletaal
Luyten
Diabetes
Mathieu
MAPC / ESC biologie Verfaillie +?
Immunologie Van Gool, Billiau, Waer
Beeldvorming Mortelmans, Van Laere, Debyser,
Baekelandt, Marchal
77
78
79
80
SCI + SCIL
81
Who did the work
•
•
Middelbare school: Evan Cobb, Nicole Ali, Ricky Jones, Sophie Rapaport, Sam Bjork
Licentie studenten: Sarah Aldrich, Zach Kastenberg, Eric Rarhman, Aaron Lisberg, Jil Webber,
Alred, Jennifer Gravel, Ben Wildenbring
Jeremy
•
Doctorandi: Morayma Reyes, Eugene Liu, Craig Eckfeldt, Rob Schwartz, Eric Mendenhall, Lucas Chase, Sarah
•
•
Medische studenten: Dave Deyle, Sjoban Keel, Troy Lund, Zubaid Rafique, Raul Munoz
Post-docs: Balkrishna Jahaghirdir, Huilin Qi, Dean Aguiar, Kazu Sudo, Aernout Luttun, Yves Heremans,
•
Laboranten: Marc Blackstad, Todd Lenvik, Kathy Boland, Jingbo Du, Paul Marker, Molly Holte, Laura Lien,
•
Collaboraties (Minnesota): John Wagner, Walter Low, Bruce Blazar, Wei-Shu Hu, David Largaespada,
•
Collaboraties (niet in Minnesota): Yukari Muguruma, Felipe Prosper, Austin Smith, Hiro Yamanaka, Irv
•
Collaboraties (Leuven): Marc Boogaerts, Michel Delforge, Marc Waer, An Billiau, Stefan Janssens,
Frommer, Terry Burns, Fernando Ulloa, Ben Kidder, Shannon Buckley, Scott Dylla,
Peter Jans
Avinash Jayashwal,
Miguel Barajas, Karen Pauwelijn, Behnan Sahin, Uma Lakshmipathy, Nathan Kreykes, Beatriz Pelacho,
Rik Snoeckx, Kris Van Den Bogaert, Stephanie Salesse, Mo Dao, Mojca Jongen, Anskar Leung,
Koen Theunissen,Catherine Flynn, Ravi Bhatia, Pankaj Gupta, Carlos Clavel,
April Breyers, Nihma Estheban
Tranquillo, Wei Chen, Jennifer Hall, Robert Miller, Tim O’Brien, Jay Zhang, Electra Coucovanis, Sue Keirstadt,
Nobuaki Kikyo, Yasushi Nakagawa, Xin Wang, Dan Kaufman, Meri Firpo, Yuehua Jiang,
Bob
Weissman, Sanjeev Gupta, Markus Grompe, Jon Odorico, Dorothee Von Laere
Joel Vandekerkhove, Jeff Pinxteren, Danny Pipeleers, Harry Heimberg, Vera Rogiers, Zwi Berneman,
Peter Ponsaerts
Frank
Luyten, Chantal Mathieu, Luc Mortelmans, Zeger Debyser, Koen Van Laere, Veerle Baekelandt,
Guy
Marchal, Wim Robberecht, Thierry Vandendriessche, Marinee Chuah, Peter Carmeliet, Mieke Dewerchin, …
82