Regenerativní medicína Luděk Šefc L. Šefc, 2015 1 Regenerativní medicína Proces vytváření živé, funkční tkáně pro opravu nebo náhradu tkáně nebo orgánu, který ztratil funkci v důsledku stáří, nemoci, poškození nebo vrozených vad. Pomáhá prodloužit zdraví a dlouhověkost. L. Šefc, 2015 2 1
L. Šefc, 2015 3 L. Šefc, 2015 4 2
Trochu historie 1908 - Termín "kmenová buňka" byl navržen pro vědecké účely ruským histologem Alexandrem Maksimovem (1874-1928) na kongresu hematologické společnosti v Berlíně. Maximov předložil koncept existence krvetvorných kmenových buněk. 1960s - Joseph Altman a Gopal Das předložili vědecké důkazy pro dospělou neurogenezu, založenou na aktivitě kmenových buněk v mozku. Podobně jako André Gernez popřeli Cajalovo dogma "žádné nové neurony. Byli do značné míry ignorováni. 1963 - McCulloch a Till prokázali přítomnost sebeobnovujících se buněk v myší kostní dřeni. L. Šefc, 2015 5 Trochu historie 1968 - Transplantace kostní dřeně mezi sourozenci úspěšně vyléčila SCID. 1978 - Krvetvorné kmenové buňky jsou objeveny v lidské pupečníkové krvi. 1981 - Myší embryonální kmenové buňky jsou získány z vnitřní buněčné masy (inner cell mass) vědci Martinem Evansem, Matthew Kaufmanem a Gailem R. Martinem. Gail Martin první použil termín "embryonální kmenové buňky". 1992 - Nervové kmenové buňky jsou kultivovány in vitro jako neurosféry. 1997 - Bylo prokázáno, že leukémie pocházejí z krvetvorné kmenové buňky. První přímý důkaz pro kmenové nádorové buňky. 1998 - James Thomson a spolupracovníci získali první linii lidských embryonálních kmenových buněk na University of Wisconsin-Madison. 2000s Byly publikovány první zprávy o plasticitě adultních kmenových buněk. 2005 - Vědci z UC Irvine Reeve Research Center jsou schopni částečně obnovit schopnost ochrnutých myší chodit po injekci lidských neurálních kmenových buněk. L. Šefc, 2015 6 3
Trochu historie Srpen 2006 - Kazutoshi Takahashi a Shinya Yamanaka publikovali v časopise Cell vytvoření myších indukovaných pluripotentních kmenových buněk. Nobelova cena 2012 Říjen 2007 - Mario Capecchi, Martin Evans a Oliver Smithies dostali v roce 2007 Nobelovu cenu za fyziologii a medicínu za práci na embryonálních kmenových buňkách myší. Pomocí genově cílené strategie vytvořili geneticky modifikované myši (známé jako knockout myši). Listopad 2007 - Lidské indukované pluripotentní kmenové buňky: Dvě podobné práce: v Cell od Kazutoshi Takahashi a Shinya Yamanaky "Indukce pluripotentních kmenových buněk z dospělých lidských fibroblastů definovanými faktory", a v Science od Junying Yu a spolupracovníků z výzkumné skupiny Jamese Thomsona, Indukované pluripotentní linie kmenových buněk získané z lidských somatických buněk. Pluripotentní kmenové buňky jsou získané z dospělých lidských fibroblastů. L. Šefc, 2015 7 Trochu historie Únor 2008 - Tvorba pluripotentních kmenových buněk z dospělých myších jater a žaludku: tyto IPS buňky se zdají být více podobné embryonálním kmenovým buňkám, než dříve vyvinuté IPS, a nejsou tumorogenní. Navíc geny potřebné pro přeprogramování na IPS nemusí být vloženy do specifických míst, což podporuje rozvoj nevirových reprogramovacích technik. Březen 2008 - První publikovaná studie o úspěšné regeneraci chrupavky v lidském kolena za pužití dospělých autologních mezenchymálních kmenových buněk vydná lékaři z Regenerative Sciences 30.října 2008 - Embryonální kmenové buňky z jediného lidského vlasu. 11. října 2010 První klinická studie embryonálních kmenových buněk u člověka. Srpen 2013 Nábor pacientů do první klinické studie používající IPS buňky pro léčbu věkem podmíněné makulární degenerace (RIKEN Center for Developmental Biology in Kobe, Japonsko) L. Šefc, 2015 8 4
L. Šefc, 2015 9 L. Šefc, 2015 10 5
L. Šefc, 2015 11 L. Šefc, 2015 12 6
Dospělé kmenové buňky Hematopoetické kmenové buňky Kmenové buňky z prsní žlázy Mezenchymálních kmenové buňky Endoteliální kmenové buňky Nervové kmenové buňky Dospělé čichové kmenové buňky Testikulární kmenové buňky L. Šefc, 2015 13 L. Šefc, 2015 14 7
Plasticita kmenových buněk Terapeutické využití: infarkt myokardu neurodegenerativní onemocnění ortopedie plastická chirurgie genová terapie L. Šefc, 2015 15 L. Šefc, 2015 16 8
L. Šefc, 2015 17 L. Šefc, 2015 18 9
L. Šefc, 2015 19 Day 1 Při in vitro fertilizaci (IVF), spermie a vajíčko "interagují" v Petriho misce, což vede k oplodnění. Spermie plavou k vajíčku snaží se vniknout do jádra. První z nich vyhraje, vstup ostatních je zablokován. Problémy s mužskou plodností: Někdy spermie nemůže proniknout do vajíčka. Lze provést intra-cytoplazmatickou injekci spermie (ICSI) L. Šefc, 2015 20 10
L. Šefc, 2015 21 L. Šefc, 2015 22 11
L. Šefc, 2015 23 L. Šefc, 2015 24 12
L. Šefc, 2015 25 L. Šefc, 2015 26 13
L. Šefc, 2015 27 Embryonic Stem Cells L. Šefc, 2015 28 14
Embryonální kmenové buňky v Petriho misce: Jak vypadá kultura ESC? L. Šefc, 2015 29 Embryonální vývoj: rybí embryo L. Šefc, 2015 30 15
ips buňky indukované pluripotentní kmenové buňky 2006 myš, 2007 člověk virová transfekce několika transkripčních faktorů Oct-4, SOX2, c-myc, Klf4 L. Šefc, 2015 31 L. Šefc, 2015 32 16
L. Šefc, 2015 33 L. Šefc, 2015 34 17
L. Šefc, 2015 35 L. Šefc, 2015 36 18
L. Šefc, 2013 37 L. Šefc, 2015 38 19
L. Šefc, 2015 39 L. Šefc, 2015 40 20
Dolly (5 červenec 1996 14 únor 2003) L. Šefc, 2015 41 Klonována Ianem Wilmutem, Keithem Campbellem a spolupracovnéky v Roslin Institute nedaleko Edinburgu ve Skotsku 277 buněčných fuzí, 29 časných embryí implantováno do 13 náhradních matek. Ale jen jedno těhotenství vydrželo, a 6,6 kg Finn Dorset jehně 6LLS (alias Dolly) se narodilo po 148 dnech. L. Šefc, 2015 42 21
L. Šefc, 2015 43 Současné terapie L. Šefc, 2015 44 22
Transplantace krvetvorných kmenových buněk Již více než 30 let se kmenové buňky z kostní dřeně a recentně i z pupečníkové krve používají k léčbě pacientů s hematologickými malignitami, jako jsou leukémie a lymfomy. Chemoterapie je užívaná k eliminaci nádorových kmenových buněk. Cytostatika však nerozlišují mezi leukemickými a zdravými krvetvornými kmenovými buňkami v kostní dřeni. Transplantace zdravých kmenových buněk obnoví během léčby ztracené buňky v těle hostitele. L. Šefc, 2015 45 Talesemie Genetická vada vede ke snížení produkce jednoho globinového řetězce, který tvoří hemoglobin. Transplantace krvetvorných buněk je jediný léčebný postup. L. Šefc, 2015 46 23
Transplantation. 2010 Mar 15;89(5):485-91. Tissue-engineered tracheal transplantation. Baiguera S, Birchall MA, Macchiarini P. Source BIOAIR (Laboratory of Biomolecular and Bioengineering Airways), University of Florence, Florenz, Italy. Abstract Regenerative medicine offers new tools with which to tackle disorders for which there is currently no good therapeutic option. The trachea is an ideal organ in which to explore the clinical potential of tissue engineering because severe large airway disease is poorly managed by conventional treatments, and the success of a graft is determined only by its ability to conduct air lifelong: that is, whether it can become a sustainable biological conduit. We define the component parts of tissue engineering and review the experimental methods used to produce airway implants to date, including a recent successful, first-in-man experience. L. Šefc, 2015 47 Transplantace trachey Příklad regenerace tkáně na bázi transplantace dospělých kmenových buněk L. Šefc, 2015 48 24
Biokompatibilní uretra L. Šefc, 2015 49 Možné příklady léčby L. Šefc, 2015 50 25
Poškození srdečního svalu Několik klinických studií zaměřených na srdeční onemocnění ukázalo, že terapie dospělými kmenovými buňkami je bezpečná, efektivné a stejně účinná při léčbě starších i nedávných infarktů. Terapie srdečních onemocnění pomocí lidských adultních kmenových buněk byla už v r. 2007 komerčně dostupné na pěti kontinentech. Mezi možné mechanismy reparace patří: Tvorba buněk myokardu Stimulace růstu nových cév v poškozené srdeční tkáni Tvorba růstových faktorů Případně jiné dosud neznámé mechanismy L. Šefc, 2015 51 L. Šefc, 2015 52 26
L. Šefc, 2015 53 Experimentální modelový systém Kardiomyocyty s kontrakcí v Petriho misce L. Šefc, 2015 54 27
L. Šefc, 2015 55 Nádorová onemocnění Rozvoj strategií pro genovou terapii k léčbě intrakraniálních nádorů je slibný a se ukázal být úspěšný v léčbě některých psů, ačkoliv výzkum v této oblasti je stále v rané fázi. Použití konvenčních technik je pro léčbu mozkových nádorů málo efektivní. Vědci z Harvard Medical School transplantoval lidské nervové kmenové buňky do mozku hlodavců s mozkovým nádorem. Během několika dnů se kmenové buňky přemístily do nádorové oblasti a vyrábí cytosin deaminázou, což je enzym, který konvertuje netoxickou léčebnou látku na chemotheraputické agens. V důsledku toho došlo k redukci nádoru o 81 procent. Kmenové buňky nediferencovaly ani nebyly kancerogenní. Někteří vědci se domnívají, že klíčem k nalezení léku na rakovinu je inhibice proliferace nádorových kmenových buněk. Proto je současná léčba rakoviny navržena tak, aby zabila rakovinné buňky. Nicméně, konvenční chemoterapie, nerozlišuje mezi rakovinnými a dalšími buňkami. Terapie kmenovými buňkami jako nosičem léku může sloužit pro potenciální léčbu rakoviny L. Šefc, 2015 56 28
Kmenové buňky jako nosič léku Zacílená dodávka léku, méně vedlejších účinků Day 0 Day 7 Day 14 NSCs injected (no tumor) NSCs injected (tumor) Shah et al. Dev Neurosci 2004 L. Šefc, 2015 57 Poškození mozku Mrtvice a traumatická poranění mozku vést k buněčné smrti, která se vyznačuje ztrátou neuronů a oligodendrocytů v mozku. Zdravý dospělý mozek obsahuje neurální kmenové buňky, které se dělí za účelem udržení jejich počtu a tvorby progenitorových buněk. U zdravých dospělých progenitorové buňky migrují uvnitř mozku a jejich funkce je v prvnířadě udržení populace čichových neuronů. Je zajímavé, že v těhotenství a po poranění je tento systém regulován růstovými faktorý a může zvýšit rychlost novotvorby nervové tkáně. Ačkoli regenerační proces je spouštěný mozkovým traumatem, málokdy pozorujeme výraznou reparaci tento reparační systém není u dospělých savců velmi výkonný. Kmenové buňky mohou být také použity k léčbě neurodegenerativních chorob, například Parkinsonovy a Alzheimerovy choroby. L. Šefc, 2015 58 29
Kmenové buňky v dospělém mozku L. Šefc, 2015 59 Poškození míchy V říjnu 2003 referoval tým jihokorejských vědců o transplantaci multipotentních dospělých kmenových buněk z pupečníkové krve pacientce po úrazu míchy. Tato pacientka byla imobilní přibližně 19 let, a po transplantaci kmenových buněk do místa leze byla schopna se postavit a chodit. První vědecký důkaz o účinnosti transplantace kmenových buněk do poškozené míchy byl publikován v říjnu 2005 vědci z University of California, Irvine. Transplantovali lidské neurální kmenové buňky diferencované z embryonálních kmenových buněk hlodavcům s poškozenou míchou a vyhodnotili pobyblivost za 4 měsíce po transplantaci. L. Šefc, 2015 60 30
Poškození míchy Příklad terapie odvozené od ESC L. Šefc, 2015 61 L. Šefc, 2015 62 31
Propojení porušené nervové dráhy (i rozsáhlé léze) L. Šefc, 2015 63 Propojení porušené nervové dráhy (i rozsáhlé léze) L. Šefc, 2015 64 32
Vytvoření zubu Amanda H.-H. Yen & Paul T. Sharpe. Cell Stem cells and tooth tissue engineering Tissue Res (2008) 331:359 372 Implanted tooth germ grown in the diastema. Transplanted mouse incisor tooth germ (E13) after 20 days in the maxillary diastema of an adult mouse. The tooth has erupted. a Horizontal view. b Lateral view L. Šefc, 2015 65 Znovuvytvoření prsu L. Šefc, 2015 66 33
Zvětšení poprsí L. Šefc, 2015 67 L. Šefc, 2015 68 34
Diabetes L. Šefc, 2015 69 L. Šefc, 2015 70 35
L. Šefc, 2015 71 L. Šefc, 2015 72 36
L. Šefc, 2015 73 L. Šefc, 2015 74 37
L. Šefc, 2015 75 L. Šefc, 2015 76 38
L. Šefc, 2015 77 L. Šefc, 2015 78 39
L. Šefc, 2015 79 Veterinární využití jaderného přenosu klonování druhů ohrožených vyhynutím (Jurský park) L. Šefc, 2015 80 40
L. Šefc, 2015 81 Nanomedicína 82 L. Šefc, 2015 82 41
Nosiče léků L. Šefc, 2015 83 Detekce patogeních organizmů Nanoparticle Probe Targeted RNA Fluorophore Release L. Šefc, 2015 84 42
Pohon nanorobotů L. Šefc, 2015 85 Pohon nanorobotů L. Šefc, 2015 86 43
Pohon nanorobotů L. Šefc, 2015 87 L. Šefc, 2015 88 44
Nanorobot odstraňující aterosklerotický depozit L. Šefc, 2015 89 L. Šefc, 2013 90 45
3D tiskárny L. Šefc, 2015 91 3D tiskárny L. Šefc, 2015 92 46
L. Šefc, 2013 93 3D tiskárny močový měchýř L. Šefc, 2015 94 47
3D tiskárny L. Šefc, 2015 95 3D tiskárny Robocop L. Šefc, 2015 96 48
L. Šefc, 2015 97 Věda objevuje neznámé Terapie kmenovými buňkami je ještě v plenkách Výzkum lidských embryonálních buněk trvá desetiletí, adultních kmenových buněk přes 30 let Naděje na léčbu nebo její zlepšení pro více než 70 onemocnění L. Šefc, 2015 98 49