Embryonale stamcellen: de cellen die een revolutie veroorzaakten

Na 20 jaar van hoop, belofte en controversie hervormen menselijke embryonale stamcellen nu de gekende biologische concepten en bereiken ze zelfs klinische fases.

Dieter Egli wou in 1988 net aan zijn hogere studies beginnen toen onderzoekers erachter kwamen hoe ze menselijke embryonale stamcellen moesten afleiden. In de volgende twee decennia focuste hij zijn carrière op deze vruchtbare cellen. De bioloog aan Columbia University, New York, gebruikte de cellen om te onderzoeken hoe DNA van volwassenen herleid wordt tot een embryonaal stadium. Hij probeert ook een aantal vragen rond de ontwikkeling en de behandeling van diabetes te beantwoorden. Hij hielp zelfs om een volledig nieuwe vorm van menselijke embryonale stamcellen te ontwikkelen. Deze zal de studie rond het menselijk genoom heel wat makkelijker maken.

Zijn uitgebreid onderzoek maakte hem een leider in de embryonale stamcelbiologie. Dit soort onderzoek heeft het vaak moeilijk omwille van beperkte financiering en de vele concurrerende technologieën die niet zo ethisch geladen zijn. Toch zeggen velen dat menselijke embryonale stamcellen nu belangrijker zijn dan ooit. ‘embryonale stamcellen bieden duizenden mogelijkheden,’ zegt Egli. ‘Ze zullen voor ongeëvenaarde, levensveranderende ontdekkingen zorgen. Ik twijfel er niet aan.’

Neurale rozetten, afgeleid van menselijke embryonale stamcellen, komen samen in culturen in kweek.

Embryonale stamcellen (ES-cellen) bezorgen ons ongeziene informatie over de vroege ontwikkeling. Zoals astronomen onderzoek doen naar de Big Bang om fundamentele inzichten te krijgen in het universum, zo bestuderen biologen de moleculen in deze opmerkelijke entiteiten. Ze zoeken naar aanwijzingen over hoe een enkele cel zich in triljoenen cellen kan verdelen, die dan een duizelingwekkend aantal vormen en functies hebben. Wetenschappers hebben geleerd hoe ze de cellen kunnen omvormen in vele volwassen celtypes die de verschillende weefsels en organen in het lichaam representeren. Deze worden gebruikt om medicatie te testen, om ziektemodellen op te stellen, en meer en meer als behandelingen die in het lichaam worden ingespoten.

Sinds 2010 zijn er, startend met een poging om ruggengraatletsels te herstellen, al meer dan 12 klinische studies uitgevoerd met ES-cellen. Wetenschappers gebruiken die cellen om onder andere de ziekte van Parkinson en diabetes te behandelen. De eerste resultaten suggereren dat sommige methodes werken. Deze week liet een langverwacht rapport een verbetering in het zicht van twee mensen met leeftijdsgerelateerde maculadegeneratie zien. Dit is een ziekte die de scherpte van het zicht afbreekt.

Voorzichtig begin

In 1981 slaagden onderzoekers erin om stamcellen van muisembryo’s te kweken. Ze zagen al snel de onderzoeksmogelijkheden van deze intrigerende entiteiten. Ze kunnen zich zowel voortplanten als zich omvormen tot een van de meer dan 200 celtypes in het lichaam. Maar dit trukje was niet makkelijk te bereiken in primaten. James Thomson, bioloog aan de University of Wisconsin-Madison, deed er 14 jaar over om dit klaar te spelen bij apen. Drie jaar later sloeg Thomson weer toe: met gedoneerde, ongebruikte embryo’s uit vruchtbaarheidsbehandelingen maakte hij de eerste menselijke ES-cellijn.

De ontdekking zorgde voor een heuse ethische storm. Critici, vooral uit religieuze cirkels, pleitten dat embryo’s in principe menselijke wezens zijn. Ze wilden elk onderzoek waarin de embryo’s vernietigd worden beletten. In 2001 beperkte de Amerikaanse president George W. Bush de overheidsfinanciering voor het onderzoek tot slechts enkele bestaande ES-cellijnen. Deze beslissing dwong de onderzoekers die vastberaden waren om het onderzoek in de VS uit te voeren om een andere bron van financiering te vinden. Vaak richtten ze dubbele labo’s op: een voor ES-onderzoek en een voor ander onderzoek dat de Amerikaanse overheid wel financierde. In andere landen, zoals Duitsland en Italië, gold er een volledig verbod op de creatie van cellen.

Het is geen echte verrassing, want we verwachtten dit 20 jaar geleden al,’ aldus Egli, ‘maar ik ben toch blij verrast dat deze belofte nu realiteit wordt

Toch deden onderzoekers wat ze konden. Wetenschappers in Australië, Singapore, Israël, Canada en de VS lieten algauw weten dat ze embryonale stamcellen hadden omgevormd tot neuronen, immuuncellen en kloppende hartcellen.

Onderzoekers bespraken ook de mogelijkheid om stamcellen af te leiden uit embryo’s die gemaakt worden via een proces van overdracht van somatische celkernen. Deze methode wordt ook toegepast bij het klonen van dieren, zoals Dolly het schaap. Wetenschappers plaatsen de kern van een volwassen donorcel in een menselijke eicel waarvan ze de kern verwijderden. Dit ‘therapeutisch klonen’ moest uieindelijk zorgen voor een ongelimiteerde bron van dynamische cellen met hetzelfde DNA als de celdonor. De onderzoekers spraken van mogelijkheden als het onderzoeken van complexe ziektes in een schaaltje en het vervangen van zieke weefsels en organen op dezelfde manier als een monteur auto-onderdelen vervangt. Er waren enkele mislukte pogingen, onder andere in 2005, toen de Zuid-Koreaanse wetenschapper Woo Suk Hwang onrechtmatig beweerde dat hij stamcellen op deze manier kon isoleren. Maar in 2013 slaagde een team geleid door Shoukhrat Mitalipov, een stamcelonderzoeker aan de Oregon Health and Science University in Portland, er eindelijk in om stamcellen op deze manier af te leiden.

Tijdens de eerste 15 jaar focusten de ES-celwetenschappers vooral op het concept pluripotentie. Dit is het geweldige vermogen van cellen om zich om te vormen tot ieder celtype. Beetje bij beetje kwamen de onderzoekers erachter welke moleculaire trajecten dit fenomeen mogelijk maken. ‘ES-cellen hielpen ons pluripotentie te onderzoeken,’ aldus Mitalipov.

Dit soort onderzoek droeg bij tot de grootste innovatie in de regeneratieve geneeskunde en het biologisch onderzoek van de jaren 2000: de ontdekking van geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPS). In 2006 ontdekte stamcelbioloog Shinya Yamanaka aan de Kyoto University van Japan hoe hij volwassen muiscellen kon herleiden tot een soort embryonische staat. Hiervoor gebruikte hij slechts vier genetische factoren. Het jaar erop bereikten hij en Thomson hetzelfde resultaat in menselijke cellen. Het proces biedt in theorie dezelfde uitkomst als therapeutisch klonen: een eindeloze voorraad pluripotente cellen die genetisch gekoppeld zijn aan de patiënt. Maar dan zonder de ethische dilemma’s.

De voorspelling dat iPS-cellen de embryonale stamcellen zouden vervangen in wetenschappelijk onderzoek bleek fout te zijn. Het aantal publicaties rond ES-cellen is blijven groeien sinds 2006, en sinds 2012 verschijnen er jaarlijks ongeveer 2000 publicaties. ES-cellen zijn dan ook de gouden standaard waaraan de iPS-cellen moeten voldoen. Zelfs vandaag nog zijn er wetenschappers die zich vragen stellen bij de veiligheid van het gebruik van iPS-cellen. Stamcelbioloog Zhou Qi zegt dat de bezorgdheid over het feit dat iPS cellen tumors kunnen veroorzaken de reden is waarom hij ES-cellen gebruikt in meer dan 12 van zijn klinische onderzoeken. Zhou Qi werkt aan de Chinese Academy of Sciences Institute of Zoology in Peking

Wetenschappers zoeken vooral uit hoe ze het best kunnen werken met de ES-cellen. Het afleiden van de cellen is lang een pietluttig proces geweest. Zo’n cel uit een celcultuur halen en hem dan laten groeien in een nieuwe populatie werkte slechts in 1% van de gevallen. Een aantal ontwikkelingen hebben dit echter verbeterd. In 2007, bijvoorbeeld, ontdekte Yoshiki Sasai aan het RIKEN Centre for Developmental Biology in Kobe, Japan een molecule genaamd de ROCK-remmer. Deze zorgde ervoor dat de ES-cellen bleven leven nadat ze weg werden gehaald uit de kolonies waarin ze groeiden.

Sommige wetenschappers hebben het gebruik van diermodellen afgezworen omdat menselijke ziektes beter te bestuderen zijn met embryonale stamcellen

Het succespercentage voor het creëren van nieuwe kolonies steeg tot 27%. ‘Er waren ineens veel meer mogelijkheden,’ geeft celbioloog Malin Parmar van de Lund University in Zweden aan. Parmar gebruikt ES-cellen om neuronen af te leiden voor een klinisch onderzoek naar de ziekte van Parkinson en zegt dat zulke technologische ontwikkelingen voor een nieuwe ‘gouden tijdperk’ van ES-celonderzoek zorgen.

Op dit moment kunnen de cellen snel en betrouwbaar geproduceerd worden. Toch veranderen ze niet in kankercellen, hoewel sommige wetenschappers hiervoor vreesden. ‘We weten nog steeds niet waarom of hoe’ ze dit evenwicht bewaren, aldus Hiromitsu Nakauchi. Nakauchi is stamcelbioloog aan de University of Tokyo. Hij probeert een eindeloze voorraad bloedplaatjes te creëren uit ES- en iPS-cellen.

Tijd om te variëren

Onderzoekers willen ook organen kweken. In de juiste 3D-omgeving en met de correcte signaalmolecules vormen ES-cellen zelfs in een schaaltje complexe weefsels, beter gekend als organoïdes. Dit vermogen is belangrijk voor onderzoekers zoals James Wells in het Cincinnati Children’s Hospital in Ohio. Hij ontwikkelt intestinale organoïden voor het testen van medicijnen, en misschien op een dag voor transplantaties.

Nieuwe bronnen van ES-cellen brachten ook andere onderzoekstools voor genetische ziektes met zich mee. In 2004, bijvoorbeeld, begonnen vruchtbaarheidsdokters in Chicago ES-cellijnen te ontwikkelen van afgekeurde embryo’s met een genetische afwijking. Deze embryo’s werden gecreëerd in in vitro bevruchting. Het team kon zo cellulaire modellen maken van thalassemie, de ziekte van Huntington, het Marfansyndroom, spierdystrofie, en nog andere genetische aandoeningen. In 2007 gebruikten onderzoekers ES-cellen om de moleculaire veranderingen vast te stellen die zorgen voor de cognitieve stoornissen bij de erfelijke aandoening Fragiele-X-syndroom.

Volgens onderzoekers bieden iPS-cellen nog meer mogelijkheden voor ziekte-op-een-schaaltjestudies. Ze kunnen namelijk stamcellen van eender welke levende persoon met een vermoedelijke genetische aandoening laten groeien. Maar veel wetenschappers zien ook nog mogelijkheden voor ES-cellen op dit gebied. Sommige aandoeningen beschadigen volwassen cellen op zo’n manier dat elke iPS-cel afgeleid uit deze cellen nietszeggend is. ES-cellen behouden nog steeds hun ondersteunende rol.

Zo produceerde Kevin Eggan in aan de Harvard University in Massachusetts iPS-cellijnen van personen met de neurodegeneratieve ziekte amyotrofische laterale sclerose (ALS).  Van zijn eerdere werk met ES-cellen wist Eggan hoe hij de pluripotente cellen in motoneuronen kan veranderen. Dit zijn de hersencellen die de ziekte aantast. Toen hij hetzelfde deed met iPS-cellen van de patiënten kon hij de twee celtypes snel met elkaar vergelijken. De cellen van de patiënten vuurden veel vaker dan hun tegenhangers in gezonde mensen. ‘We maakten gebruik van al het werk dat we al gedaan hadden met ES-cellen om de motoneuronen te begrijpen,’ aldus Eggan. Op dit moment wordt er medicatie getest die de aanvallen moet tegengaan aan de hand van de iPS-cellen van patiënten. Eggan verwacht de resultaten in de komende twee maanden.

Egli en Nissim Benvenisty van de Hebrew University in Jeruzalem werpen de langstaande concepten van de menselijke biologie omver met hun afleiding van ES-cellijnen met slechts de helft van het aantal chromosomen dat normaal nodig is. Onderzoekers gebruiken nu genbewerkingstools op deze ‘haploïde’ ES-cellen, om beter te begrijpen hoe de genen werken in ontwikkeling. Omdat ze zich slechts op één set van genen concentreren leveren deze cellen veel duidelijkere resultaten op, aldus Egli.

De vooruitgang in het onderzoek naar ziektes met ES-cellen ging niet altijd zo vlot. Douglas Melton van het Harvard Stem Cell Institute in Cambridge deed er 15 jaar over om ES-cellen om te zetten in functionerende β-cellen. Dit zijn de pancreascellen die glucose opmerken en vervolgens insuline produceren. Daarna kon hij geen verschillen ontdekken tussen de pancreascellen geproduceerd met ES-cellen en iPS-cellen van mensen met diabetes type 1 of type 2. ‘We weten dat er een genetische gevoeligheid is, maar dit betekent niet dat we deze ook in vitro kunnen zien,’ zegt hij.

Celheropleving

Melton heeft nog plannen met de β-cellen die hij maakte van ES-cellen. Hij hoopt ze te transplanteren in mensen met type 1 diabetes om zo hun afhankelijkheid van insuline-injecties te beëindigen, of ten minste te verminderen. Het laatste obstakel in dit project is de cellen zo te introduceren dat het immuunsysteem ze niet vernietigt. Semma Therapeutics, een bedrijf dat Melton oprichtte in Cambridge, wil dit doen door de cellen te laten nestelen in een buidel waar voedingsstoffen door naar binnen komen en insuline door naar buiten gaat, maar die tegelijkertijd de toegang naar de immuuncellen blokkeert. Hij verwacht binnen de drie jaar te starten met zijn klinische onderzoeken. ViaCyte in San Diego, Californië herstartte net een gelijkaardig klinisch onderzoek waar het al in 2014 mee begon. Nu heeft het zijn inkapseltechnologie aangepast. Ook andere bedrijven, zoals Novo Nordisk in Denemarken, starten programma’s op om diabetes te bestrijden waarbij ze gebruik maken van ES-cellen.

Op klinisch vlak dachten velen dat iPS-cellen de strijd uiteindelijk zouden winnen van ES-cellen. Een potentieel voordeel is dat iPS-cellen weefsels en cellen kunnen produceren met hetzelfde DNA als dat van de patiënt. Ze veroorzaken dus geen immuunreactie bij transplantatie. Maar bij de meeste genetische ziektes, diabetes type 1 inclusief, bevatten de iPS-cellen van een patiënt ook de mutatie die het probleem veroorzaakt. Deze cellen moeten dus nog eens aangepast worden als we er enig therapeutisch voordeel aan willen overhouden.

Dan is er nog het kostenplaatje. Het voorbereiden van één iPS-cellijn voor klinisch onderzoek kost ongeveer 1 miljoen dollar volgens Jeanne Loring, een stamcelbioloog aan het Scripps Research Institute in Californië. Dat is een erg buitensporig bedrag om de eigen cellen van de patiënt te gebruiken. Loring verwacht wel dat de prijs nog zal dalen en werkt momenteel aan de ontwikkeling van iPS-cellen als behandeling voor de ziekte van Parkinson.

Tot dusver is er slechts één klinisch onderzoek op mensen waarbij wetenschappers cellen afgeleid uit iPS-cellen gebruiken. Oogarts Masayo Takahashi aan het RIKEN Center for Developmental Biology leidt dit onderzoek. Hij heeft als doel het genezen van maculadegeneratie. In 2014 stopten de wetenschappers het onderzoek omdat ze de procedure wouden versimpelen door gebruik te maken van stamcellen van de donor en niet de patiënt. In 2017 begonnen ze opnieuw, maar in januari botsten ze weer op een ander obstakel. Een patiënt ontwikkelde een membraan in zijn oog dat chirurgisch verwijderd moest worden.

Maculadegeneratie is een doelwit voor veel ES-celtherapieën. Er werden al ten minste zes klinische onderzoeken rond gedaan, in de VS, het VK, Zuid-Korea, China en Israël. Op 19 maart maakten wetenschappers, geleid door oogarts Pete Coffey, de resultaten van een studie naar het implanteren van een strip cellen in het beschadigde netvlies van twee individuen bekend. Een jaar na de procedure kunnen de deelnemers stilletjesaan terug lezen. Pete Coffey is directeur van het London Project to Cure Blindness en de University of California, Santa Barbara.

Volgens Alan Marmorstein, oogarts in de Mayo Clinic in Minnesota, is dit ‘een grote stap voorwaarts’ in het onderzoek. ‘Dit is de eerste echte indicatie van efficiëntie in het menselijk lichaam en het moedigt zeker aan om nog meer studies te doen in andere lichaamsdelen,’ zegt hij. Volgens Coffey zijn de huidige doorbraken het resultaat van studies naar hoe we de cellen juist in het lichaam moeten implanteren. ‘Tien jaar geleden dachten we dat we de cellen enkel in het lichaam moesten zien te krijgen en dat ze dan zelf het werk zouden doen. Dat is niet waar, we moeten de cellen op een bepaalde manier zien te controleren.’ Veel stamcelonderzoekers denken dat de volgende grote klinische doorbraak voor ES-cellen in het onderzoek naar de ziekte van Parkinson zal gebeuren. De ziekte wordt veroorzaakt door een verlies van de neurotransmitter dopamine. Een aantal bedrijven en ziekenhuizen willen nu ES- of iPS-cellen gebruiken om de neuronen die dopamine aanmaken te vervangen.

Een cruciale vraag is hoe oud de pluripotente cellen moeten zijn voordat ze getransporteerd kunnen worden. Een Australisch onderzoek startte in 2016, een Chinees onderzoek in 2017. Deze onderzoeken gebruiken jonge neurale precursoren die nog geen dopamine aanmaken. Volgens de onderzoekers zorgt de onvolwassenheid van de cellen ervoor dat ze de transplantatie overleven en kunnen integreren in het nieuwe brein. Maar de leiders van een groep ES- en iPS-celonderzoeken beter gekend als Gforce-PD beweren dat de meer volwassen cellen die ze gebruiken veranderen in het gewenste type cellen dat dopamine aanmaakt. Deze cellen zijn betrouwbaarder en controleerbaarder.

De weg naar beloftevolle resultaten

Het onderzoek naar ES-cellen kan nog groeien, als het een aantal obstakels weet te overwinnen. Een groot probleem is dat veel celtypes moeilijk aan te maken zijn. Volgens Meltons schattingen zijn slechts een tiental van de celtypes die tot nu toe gecreëerd echt functionele equivalenten van menselijke cellen. En de cellen met de meeste verreikende gebruiksmogelijkheden, zoals eicellen en zaadcellen, zullen waarschijnlijk een uitdaging blijven in de nabije toekomst.

Ook de financiering van het onderzoek blijft onzeker. Wetenschappers vangen geruchten op dat de Amerikaanse president Donald Trump nieuwe restricties wil invoeren op de overheidsfinanciering voor het onderzoek naar ES-cellen.

Ondanks de moeizame weg die ze hebben afgelegd, hebben ES-cellen zeker al hun waarde bewezen. Soms zelfs op verrassende manieren, zeggen onderzoekers. Sommige wetenschappers hebben zelfs het gebruik van diermodellen afgezworen omdat menselijke ziektes beter te bestuderen zijn met ES-cellen. ‘Mijn motto was: altijd alles menselijk,’ zegt Melton.

Volgens Yamanaka waren ES-cellen de motivatie voor zijn eigen werk met iPS-cellen. Het was Thomsons methode voor menselijke ES-cellen die voor de overgang van muis- naar menselijke iPS-cellen zorgde. Dit gebeurde in slechts een jaar tijd, terwijl de overgang van muis- naar menselijke ES-cellen bijna 20 jaar duurde. ‘We wisten precies hoe we menselijke iPS-cellen moesten kweken,’ aldus Yamanaka.

ES-cellen zijn vandaag de dag net zo belangrijk, zegt hij. Het helpt ons het mechanisme van pluripotentie te begrijpen en de medische applicatie van pluripotente cellen te verbeteren. ‘ES-cellen zijn nog net even belangrijk als 20 jaar geleden, en ik denk niet dat ze ooit minder belangrijk zullen worden,’ aldus Yamanaka.