Hartcellen laten groeien, speciaal voor jou

Terwijl ik door een microscoop in Madison, Wisconsin tuurde, zag ik mijn hartcellen kloppen in een petrischaal. Ze zagen eruit als gloeiende rode garnalen zonder staart, pulseerden en bewogen heel langzaam naar elkaar toe. Ik kreeg te horen dat deze cardiomyocyten enkele uren zouden blijven staan ​​en zouden samensmelten tot klodders die probeerden een hart te vormen. Aan mijn flanken stonden wetenschappers die experimenten hadden uitgevoerd waarvan ze hoopten dat ze zouden uitwijzen of mijn hartcellen gezond zijn, of ze ongewoon gevoelig zijn voor medicijnen en of ze overdreven gestrest raken als ik een trap oploop.

Het sneeuwde buiten de ramen van het kantoorpark van Cellular Dynamics International (CDI), waar ik een intieme demonstratie zag van hoe stamceltechnologieën ooit kunnen worden gecombineerd met persoonlijke genomica en persoonlijke geneeskunde. Ik was de eerste journalist die experimenten onderging om te zien of het vier jaar oude proces dat geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPS) creëert, inzicht kan geven in het functioneren en het lot van de hartcellen van een gezond individu. Soortgelijke tests kunnen worden uitgevoerd op in het laboratorium gekweekte hersen- en levercellen, of uiteindelijk op een van de meer dan 200 celtypen die bij mensen worden aangetroffen. Dit is de volgende stap in gepersonaliseerde geneeskunde: medicijnen en andere factoren kunnen testen op verschillende celtypen, zei Chris Parker, CDI's CDI's commercieel directeur, over mijn schouder meekijkend.

Dit verhaal maakte deel uit van ons septembernummer van 2011

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

CDI-wetenschappers creëerden het kleine stukje van mijn hart door cellen uit mijn bloed te nemen en ze te herprogrammeren zodat ze terugkeerden naar een pluripotente staat, wat betekent dat ze in staat zijn om uit te groeien tot elk celtype in het lichaam. De wetenschap die dit mogelijk maakt, komt van het laboratorium van CDI-medeoprichter en stamcelpionier James Thomson van de Universiteit van Wisconsin, de leider van een van de twee teams die het iPS-celproces in 2007 ontdekten. (De andere inspanning werd geleid door Shinya Yamanaka van de Universiteit van Kyoto.) De resultaten zijn vergelijkbaar met de speciale cellen die een paar dagen na de bevruchting in embryo's verschijnen.

Sinds eind 2008 produceert het bedrijf cardiomyocyten en verzendt het de bevroren cellen op droog ijs naar academische wetenschappers om te bestuderen hoe deze cellen werken, en naar onderzoekers in de farmaceutische industrie om ze te gebruiken in vroege tests van kandidaat-geneesmiddelen. Een belangrijke reden om de cellen te gebruiken, is dat ze kunnen onthullen of medicijnen giftig zijn voor het hart, informatie die andere soorten testen kunnen missen. Er zijn verschillende medicijnen op de markt gekomen met cardiotoxische profielen, en dat is onaanvaardbaar, zegt Parker. Hij zegt dat de cardiomyocyten die zijn afgeleid van iPS-cellen een enorme verbetering zijn ten opzichte van de kadavercellen die soms worden gebruikt om potentiële medicijnverbindingen te testen. In tegenstelling tot de kadavercellen kloppen IPS-gegenereerde cellen realistisch en kunnen ze op aanvraag in grote hoeveelheden worden geleverd. Bovendien kunnen iPS-gegenereerde cellen dezelfde genetische samenstelling hebben als de patiënten waar ze vandaan kwamen, wat een enorm voordeel is bij het afstemmen van medicijnen en behandelingen op individuen. Deze op bestelling gemaakte cellen zijn echter niet goedkoop. De CEO van Cellular Dynamics, Robert Palay, zegt dat ze ongeveer $ 1.500 kosten voor een standaardflesje van 1,5 miljoen cellen.

Een bijzonder sensationeel vooruitzicht is dat iPS-cellen in patiënten kunnen worden getransplanteerd, zodat ze zieke of beschadigde stekels, hersenen, harten of ander weefsel kunnen regenereren - een voorstel dat bijzonder aanlokkelijk is omdat deze cellen niet door het lichaam van de gastheer zouden worden afgewezen. Ze zouden ook de politieke controverse rond embryonale stamcellen kunnen bezweren, omdat ze het op een dag mogelijk zullen maken om pluripotente cellen te oogsten zonder een menselijk embryo te vernietigen.

Transplantatie is echter voor de meeste weefseltypes jaren weg, zegt Alexander Meissner, een stamcelonderzoeker van de Harvard University. Het is niet triviaal om hersenweefsel te regenereren, zegt hij. Dit gaat langer duren dan mensen denken. Thomson is het daarmee eens. Praten over transplantatie is een soort irrationele uitbundigheid geweest, zegt hij. Het proces waarbij iPS-cellen worden gebruikt om nieuw weefsel te maken, brengt nog steeds bepaalde gevaren met zich mee: sommige cellijnen bevatten bijvoorbeeld mutaties die tot kanker kunnen leiden, en in sommige gevallen behouden cellen een vaag chemisch geheugen van hun eerdere identiteit als huid of bloedcellen.

Thomson denkt dat dit tijdelijke tegenslagen zijn. We hebben al heel lang beenmergtransplantaties, die in wezen stamcellen zijn, zegt hij. En er wordt nu gewerkt aan het gebruik van iPS-cellen om maculaire degeneratie te herstellen. Maar het herstellen van schade aan de zenuwen in een wervelkolom is veel moeilijker. Anderen delen zijn voorzichtig optimisme. Vrijwel alles over iPS-cellen is overhyped, zegt Chris Austin, directeur van het Chemical Genomics Center van de National Institutes of Health. Maar voor het testen van kandidaat-geneesmiddelen denk ik dat de mogelijkheden aanzienlijk zijn, en wij en vele andere mensen streven dit na. Er zijn veel problemen. Zijn iPS-cellen echt normaal? Hoe krijg je voldoende zuivere gedifferentieerde cellen? Maar het potentieel is er zeker.

Stralend helder: Een laag van de hartcellen van de auteur ziet eruit als een chaotische klomp onder de microscoop.

Vasthouden aan de wetenschap
Ik bezocht James Thomson voor het eerst op een andere besneeuwde, ijskoude dag in Wisconsin in 2008, een paar weken na de publicatie van zijn artikel waarin hij iPS-cellen aankondigde die waren afgeleid van menselijke cellen. Een sjofele, no-nonsense man in een casual trui en versleten Dockers, hij zat in een klein kantoor versierd met tropische vissen, varens en een antiek dartbord en besprak zijn oorspronkelijke ontdekking van menselijke embryonale stamcellen in 1998. Zijn werkset een storm van protest: tegenstanders voerden aan dat het vernietigen van een menselijk embryo om zijn stamcellen te oogsten gelijk staat aan moord. President George W. Bush beperkte de meeste federale financiering voor onderzoek naar embryonale stamcellen in 2001, en critici zijn Thomson blijven belasteren, hoewel hij zich onopvallend probeert te houden. Ik praat er niet veel over, zei hij. Ik blijf bij de wetenschap.

De creatie van iPS-cellen in 2007 leek een elegante boekensteun voor de bevinding uit 1998, omdat het een nieuwe manier bood om stamcellen te produceren die kunnen differentiëren in elk celtype - een die eigenlijk beter zou kunnen zijn, omdat de cellen genetisch identiek zouden zijn aan eigen patiënten. Het was een opluchting dat we misschien een oplossing hebben voor deze politieke en ethische situatie, zei Thomson. De doorbraak was echter een verrassing. We wisten dat het iPS-proces een mogelijkheid was, zei hij, maar toen we begonnen, was ik er zeker van dat het minstens 10 jaar zou duren. Thomson en een postdoc uit Wisconsin, Junying Yu, wilden iPS-cellen maken door huidcellen te modificeren met regulatorgenen die normaal alleen in embryo's worden aangetroffen. De methode, zei hij, verraste iedereen door te werken.

Thomson was medeoprichter van CDI in 2007, rond dezelfde tijd dat verschillende andere stamcellampen betrokken raakten bij iPS-celbedrijven. Deze potentiële concurrenten zijn echter voornamelijk gericht op het creëren van therapieën. Ze gebruiken iPS-cellen om kandidaat-geneesmiddelen te identificeren en te ontwikkelen en om processen te ontwerpen die op een dag tot transplantatie kunnen leiden. Tot dusver heeft CDI geen serieuze concurrenten op de markt om iPS-gegenereerde cellen in volume te verkopen voor gebruik in onderzoek en drugsscreening. Voor een deel komt dit doordat Thomson en zijn wetenschappelijke team langer hebben gewerkt om de moeilijkheden bij het industrialiseren van de technologie te overwinnen. Het maken van iPS-cellen die in grote hoeveelheden functioneel zijn, is moeilijk, zegt Meissner van Harvard.

Het bedrijf, dat in particulier bezit is, heeft zijn prestaties niet gedetailleerd, maar de CEO vertelde een lokale krant dat CDI miljoenen inkomsten haalt uit de verkoop van zijn hartcellen aan ongeveer 40 klanten, waaronder de meeste grote farmaceutische bedrijven. Volgend jaar is het bedrijf van plan om iPS-gegenereerde lever-, hersen- en bloedcellen uit te rollen.

Dit is een game-changer, zegt stamcelbioloog Sandra Engle, een senior hoofdwetenschapper bij Pfizer die CDI-cellen heeft gebruikt. Vóór CDI waren deze cellen erg moeilijk te verkrijgen, en we kregen er maar kleine hoeveelheden van. Dit werkt niet voor high-throughput-tests voor medicijnen. Voor Kyle Kolaja, wereldwijd hoofd van voorspellende toxicologieschermen en opkomende technologieën bij Roche, is het voordeel van de CDI-cellen dat ze zich gedragen als echte cellen. Ze hebben al een grote invloed op de veiligheid en ontwikkeling van geneesmiddelen, zegt hij. Ze hebben al veranderd wat we doen.

Mobiele aanwijzingen
Hoewel bedrijven als Roche en Pfizer momenteel iPS-cellen gebruiken om potentiële therapieën te screenen op toxiciteit en andere kenmerken, kunnen op een dag iPS-gebaseerde tests worden uitgevoerd op individuele patiënten om te zien of ze een bijzonder risico lopen op bijwerkingen. Euan Ashley, cardioloog aan de Stanford University, probeert iPS-cellen te gebruiken om een ​​16-jarige jongen te diagnosticeren en te behandelen met vroege symptomen van gedilateerde cardiomyopathie, een potentieel dodelijke ziekte waarbij het hart opzwelt en verzwakt. Dit is het soort ernstige genetische ziekte dat door families loopt waarvan we denken dat ze baat kunnen hebben bij iPS-technologieën en genomica, zegt Ashley. Hij heeft het DNA van de jongen onderzocht op veelbetekenende genetische markers die verband houden met de ziekte en heeft zijn broer en ouders getest om te zien of zij de markers ook dragen. Het Stanford-team is van plan om iPS-cellen te maken door huidcellen uit de familie te herprogrammeren en ze vervolgens te laten differentiëren tot cardiomyocyten met de karakteristieke genetische variaties. Door de biochemie van deze hartcellen te bestuderen, hopen de wetenschappers aanwijzingen te krijgen over hoe ze zouden kunnen reageren op verschillende kandidaat-geneesmiddelen.

We zullen de iPS-cellen gebruiken om de verschillen tussen dit kind en anderen met en zonder de aandoening te controleren, zegt Ashley, en om te testen welke medicijnen het beste werken voor de jongen en andere getroffen familieleden. Ashley zegt dat een van de doelen is om tests te ontwikkelen om te bepalen hoe de genetische variaties de cellen daadwerkelijk beïnvloeden. Het belang van genetische factoren zal in deze cellen worden weerspiegeld, zegt hij.

Koudbloedig: Monsters van de cellen van de auteur worden onder cryogene omstandigheden in trays bewaard.

Andere clinici en laboratoria gebruiken ook iPS-cellen in experimenten die bedoeld zijn om licht te werpen op ziekte. Onderzoekers van het Salk Institute bestuderen bijvoorbeeld iPS-afgeleide neuronen van mensen met schizofrenie om te zien hoe ze verschillen van normale neuronen, en ze zullen onderzoeken wat er gebeurt als de cellen worden blootgesteld aan antipsychotica. Bij de NIH bestudeert een groep iPS-gegenereerde cellen van patiënten met een dodelijke genetische aandoening die bekend staat als de ziekte van Niemann-Pick type C. Andere onderzoekers hebben voorgesteld om iPS-gegenereerde cellen te gebruiken om de effecten van giftige chemicaliën zoals kwik en pesticiden te testen.

De hoop, zeggen onderzoekers, is om een ​​bibliotheek met iPS-cellijnen te creëren van mensen met specifieke symptomen of gedragingen die verband houden met een bepaalde ziekte. Roche is een programma gestart met het Massachusetts General Hospital in Boston om cellijnen te creëren die verschillende soorten hartaandoeningen weerspiegelen; de resultaten zouden het bedrijf kunnen helpen bij het ontwikkelen van medicijnen. Deze zomer hebben CDI en het Medical College of Wisconsin een subsidie ​​van $ 6,3 miljoen van de NIH aangekondigd om iPS-gegenereerde hartcellen te maken van 250 patiënten met linkerventrikelhypertrofie, een aandoening die hoge bloeddruk veroorzaakt en het risico op hart- en vaatziekten verhoogt.

Wetenschappers zijn nog ver verwijderd van het routinematig gebruiken van iPS-cellen om ziekten te diagnosticeren of individuele prognoses te bieden. Austin van de NIH waarschuwt dat individuele cellen slechts een deel van het verhaal vertellen van wat er gebeurt in het dynamische systeem dat het menselijk lichaam is. In sommige gevallen heb je geen cel die je een echt antwoord kan geven over een ziekte als depressie, zegt hij. Welk celtype gebruik je daarvoor?

Mijn Mambo
Ik lanceerde mijn eigen iPS-reis in een kleine Quest Diagnostics-kliniek in een lommerrijke straat in San Francisco. De flebotomist wikkelde een rubberen buis om mijn arm en stak in een naald om verschillende flesjes bloed op te zuigen die op ijs naar Madison zouden worden verscheept. Toen ze eenmaal bij CDI waren, kraakten technici mijn witte bloedcellen en gebruikten ze een bioengineered retrovirus om meestertranscriptiegenen in hun DNA te introduceren. Deze genen herprogrammeerden de cellen zodat wanneer ze repliceerden, de resultaten pluripotente cellen waren in plaats van meer witte bloedcellen. Hun transformatie naar functionerende iPS-cellen vergde enkele maanden van overhalen, zuivering en verificatie die ongeveer $ 15.000 kostte, die het bedrijf namens mij betaalde. Toen mijn pluripotente cellijn eenmaal zoemde, hebben de wetenschappers van het CDI een paar cellen aangepast om ze te laten differentiëren in drie soorten hartcellen - die ik voor het eerst zag pulseren in een videoclip die ze naar me e-mailden.

In Madison, bijna een jaar nadat ik mijn bloed had opgegeven, was ik een beetje angstig terwijl ik naar mijn kloppende hartcellen staarde. Ik stond op het punt een overzicht te krijgen van de experimenten die CDI had uitgevoerd om aan te tonen wat deze kleine bundels van bio-engineered cytoplasma en kernen zouden kunnen zeggen over mijn gezondheid en mijn gevoeligheid voor verschillende medicijnen.

Chris Parker en de productmanager voor cardiomyocyten van het bedrijf, Blake Anson, namen het voortouw bij het doorlopen van een reeks beoordelingen die begonnen met tests om er zeker van te zijn dat u nog steeds deze cellen bent, zei Parker. Ze lieten me een plaatje zien van de 23 gepaarde chromosomen uit mijn oorspronkelijke bloedmonster en vergeleken het met een plaatje waarop de chromosomen van de hartspiercellen te zien waren. Ze hadden ook een eenvoudige genetische vergelijking gemaakt met 16 DNA-markers, een test die door wetshandhavers wordt gebruikt en die een snelle, relatief goedkope manier biedt om te beoordelen of twee monsters overeenkomen. Toen mijn gefabriceerde cellen de verzameling hadden doorstaan, gingen de wetenschappers naar stap twee: kijken of ze zich gedroegen als echte hartspiercellen.

Eerst lieten ze de cellen met elektriciteit zoemen om het bereik in duur van de actiepotentialen te controleren - de elektrische impulsen die hartcontracties aansturen. Daarna maten ze de hartslagen van de cellen in het aggregaat tegen een soort ECG-golfvorm zoals die verschijnen als op-en-neer pulsen op een ziekenhuismonitor. Mijn cellen leken normaal.

Pluripotente pionier: James Thomson, bioloog van de Universiteit van Wisconsin, was medeoprichter van Cellular Dynamics International in 2007, nadat hij een methode had ontwikkeld om gewone menselijke cellen te herprogrammeren om geïnduceerde pluripotente stamcellen te creëren, die elk celtype kunnen voortbrengen. Thomson heeft sindsdien geholpen bij het pionieren van het gebruik van iPS-cellen bij de ontwikkeling van geneesmiddelen.

Een derde test ontpit de cellen tegen twee medicijnen. Een daarvan was epinefrine, dat de vecht-of-vluchtreactie veroorzaakt en de hartslag van een persoon versnelt. We kunnen dit hier zien: beat, beat, beat, zei Parker, terwijl hij me een dia liet zien met een ECG-lijn. Je hartslag neemt dramatisch toe, dus dat betekent dat je in orde bent - je kunt rennen voor die beer. De wetenschappers lieten vervolgens een sympathieke agonist vallen, een medicijn dat het hart vertraagt. Zodat je cellen kunnen ontspannen nadat ze voor die beer zijn weggelopen, zei Parker. Toen ik Euan Ashley mijn testresultaten stuurde, bevestigde hij mijn aanhoudende normaliteit - en bevestigde dat de cellen in kwestie waren wat ze moesten zijn. Deze tests bewijzen dat de cellen cardiomyocyten zijn, zei hij, wat in dit vroege stadium van deze wetenschap belangrijk is.

Een paar weken later voerde CDI nog een reeks experimenten uit waarbij mijn cellen werden onderworpen aan medicijnen met bekende toxische bijwerkingen. Eerst kwamen Hismanal, een antihistaminicum, en Propulsid, een medicijn om gastro-intestinale klachten te behandelen. Beide medicijnen werden in veel landen, waaronder de Verenigde Staten, van de markt gehaald omdat ze in verband werden gebracht met zeldzame maar potentieel levensbedreigende hartritmestoornissen. Deze neiging is te wijten aan de onverwachte en ongewenste bijwerking van beide medicijnen die de normale activiteit van een specifiek ionkanaal in het hart blokkeren en verstoren, aldus een rapport dat mij per e-mail van CDI werd toegestuurd. Beide geneesmiddelen hadden vergelijkbare effecten op de iPS-afgeleide hartspiercellen van David Duncan: een dosisafhankelijke toename van de duur van de actiepotentiaal … Een verlengde duur van de actiepotentiaal is een erkende trigger voor hartritmestoornissen die tot plotselinge dood kunnen leiden.

Voor een tweede ronde van farmaceutisch testen stelden de wetenschappers mijn cellen bloot aan twee kankermedicijnen: Gleevec, voornamelijk gebruikt om sommige vormen van leukemie te behandelen, en Sutent, gebruikt om tumoren in de maag, darm en slokdarm te behandelen. Beide medicijnen hebben bijwerkingen die schade aan het hart omvatten, hoewel ze in gebruik blijven omdat de ziekten die ze behandelen zo ernstig zijn. In vitro-tests op de iPS-afgeleide cardiomyocyten van David Duncan toonden aan dat beide geneesmiddelen nadelige effecten hadden, aldus mijn rapport, en dat het door Gleevec gemedieerde effect mogelijk werd veroorzaakt door een verstoring van de mitochondriale functie. Nogmaals, de reacties van mijn cellen waren niet atypisch, hoewel de onderzoekers me vertelden dat als ik kanker had, verdere tests specifieke reacties zouden kunnen opleveren die een arts zouden kunnen helpen beslissen welke medicijnen het beste voor mij waren.

Ashley vertelde me dat iPS-gegenereerde hartcellen een groot potentieel bieden als een manier om kankerbehandelingen te testen. Chemomedicijnen zijn erg moeilijk voor harten en voor hartcellen, zei hij. Als deze technologie kan helpen, zal dat heel belangrijk zijn.

CDI heeft me verteld dat naarmate de wetenschap zich ontvouwt, het tests kan uitvoeren op basis van de uitgebreide DNA-sequencing die ik had gedaan voor een recent boek, experimentele man . Ik zou vooral geïnteresseerd zijn in een test die zou kunnen bepalen hoe bezorgd ik zou moeten zijn over een genetische risicofactor voor bijwerkingen van cholesterolverlagende statines. Volgens mijn genetische profiel heb ik een aanzienlijk risico op myopathie - spierzwakte - als ik bepaalde vormen van deze medicijnen gebruik. Deze aandoening is echter te wijten aan een slecht functionerend enzym dat wordt geproduceerd door de lever, niet door het hart, dus om erachter te komen hangt af van of CDI bereid is levercellen te maken van mijn iPS-lijn.

Voordat ik het CDI-lab verliet, wierp ik nog een blik op mijn hartcellen die in een soort grillige mambo in hun petrischaal bonzen, en ik vroeg me af wanneer zulke rijen individuele cellen een routineonderdeel van de medische zorg zouden worden. Er zijn nog veel obstakels voordat dit kan gebeuren, waaronder de hoge kosten om de cellen te maken. Maar ondanks de kosten, zegt Thomson, zullen er mensen zijn die dit willen doen - rijke early adopters die iets willen weten over een ziekte of een medicijn. Of sommige mensen doen het misschien omdat ze denken dat hun kloppende hartcellen cool zijn.

Wat mij betreft, ik ben nog steeds verbaasd dat de hartspiercellen in de schaal een deel van mij zijn, laat staan ​​dat ze ooit kunnen worden gebruikt als stuntdubbel voor mijn echte cellen.

David Ewing Duncan is een schrijver uit San Francisco. Zijn meest recente boek is Experimentele man: wat het lichaam van één man onthult over zijn toekomst, uw gezondheid en onze giftige wereld.

zich verstoppen