Tyto buňky indukované pluripotentní kmenové (IPS) (v angličtině indukovaná pluripotentní kmenová buňka nebo IPS nebo iPSCs) jsou kmenové buňky pluripotentní generovaný v laboratoři ze somatických buněk . Tyto indukované kmenové buňky mají potenciál diferencovat se na jakoukoli buňku v lidském těle, a proto mají širokou škálu aplikací v terapii a biomedicínském výzkumu. Jsou považovány za jeden z hlavních pokroků v biotechnologiích, protože umožňují představovat alternativu k použití lidských embryonálních kmenových buněk , což umožňuje překonat etické problémy s nimi spojené.
Do roku 2000 byly lidské pluripotentní kmenové buňky používané při výzkumu embryonálního původu. Navzdory mnoha potenciálním aplikacím embryonálních kmenových buněk však jejich použití vyvolává etické problémy, protože jejich získání závisí na destrukci lidských embryí. Kromě toho v regenerativní medicíně představuje transplantace embryonálních kmenových buněk u pacientů riziko odmítnutí v důsledku imunologické nekompatibility mezi dárcem a příjemcem.
Aby bylo možné tyto omezení obejít, výzkumník Shinya Yamanaka a jeho tým v roce 2006 vyslovili hypotézu, že je možné transformovat diferencovanou buňku na pluripotentní kmenovou buňku reaktivací exprese genů spojených s pluripotencí. Prostřednictvím virových látek tito vědci zavedli do myších fibroblastů čtyři transkripční faktory, nazývané Yamanaka faktory, exprimované v embryonálních kmenových buňkách, Oct3 / 4 , Sox2 , KLF4 a c-Myc . Ukázali, že zavedení těchto transkripčních faktorů způsobuje de-diferenciaci buněk směrem k pluripotentnímu stavu charakteristickému pro embryonální fázi: byla objevena „indukovaná“ pluripotence. Tímto procesem buňky skutečně získávají základní vlastnosti embryonálních kmenových buněk, kterými jsou pluripotence a samoobnovení. V roce 2007 pomocí stejného procesu tito vědci zopakovali čin s použitím dospělých lidských buněk. Za tento objev získala Shinya Yamanaka v roce 2012 Nobelovu cenu za medicínu .
Indukovaná pluripotence proto spočívá v „přeprogramování“ diferencované buňky na kmenovou buňku reaktivací exprese genů spojených s embryonálním stadiem (pluripotentní stádium). Za tímto účelem je do dospělých buněk zaveden koktejl 4 transkripčních faktorů, nazývaných faktory Yamanaka, přítomných v embryonálních kmenových buňkách, Oct3 / 4, Sox2, KLF4 a c-Myc, což způsobuje represi genů spojených s buněčnou specializací; toto se potom označuje jako „ buněčná diferenciace “. Jednoduchost tohoto mechanismu překvapila mnohé v biologické komunitě. Následné práce ukázaly, že několik typů lidských buněk lze přeprogramovat na pluripotentní kmenové buňky, včetně kožních buněk a krevních buněk (T lymfocyty a progenitory erytroidů).
V původním protokolu byly faktory Yamanaka zavedeny do buněk, které byly přeprogramovány pomocí integrativních retrovirových virových vektorů. Někteří potom používali integrační lentiviry. Nevýhodou těchto přístupů byla modifikace DNA cílových buněk, což je potenciálně karcinogenní účinek. Od té doby byly použity jiné techniky k expresi koktejlu genů buňkami, které mají být přeprogramovány. Je tedy možné například použít jiné virové vektory, jako jsou adenoviry, ale také techniky, které nepoužívají viry, jako je jednoduchá injekce mRNA kódujících faktory pluripotence. Tato vylepšení zabraňují vložení přeprogramovaných genů do genomu cílové buňky a lepší kontrole trvání jejich exprese. Vložení do onkogenní oblasti může skutečně vést k vývoji rakovinných buněk. Ve výzkumných laboratořích je dnes nejpoužívanější technologií pro přeprogramování použití virového vektoru RNA (Sendai), který se ničí při určité teplotní hranici. Pro terapeutické aplikace je výhodné přeprogramování pomocí plazmidů kódujících Yamanaka faktory.
Tato technika umožňuje výrobu kmenových buněk „à la carte“ pro regenerativní medicínu. Jeden z prvních důkazů byl prokázán u Parkinsonovy choroby . Vědci úspěšně transplantovali iPSC do mozku zvířecího modelu Parkinsonovy choroby a ukázali, že tyto buňky se diferencovaly na dopaminergní neurony se zlepšenými příznaky onemocnění u zvířete. Stejně tak studie provedená na myších modelech poranění míchy ukazuje, že transplantace lidského iPSC stimuluje regeneraci neuronů a zlepšuje pohyb. Transplantace lidských iPSC do myokardu myší po akutním infarktu vede k podstatnému zlepšení srdečních funkcí u druhé díky diferenciaci iPSC na srdeční buňky.
Další zajímavá aplikace iPSC spočívá v léčbě genetických chorob. Například pomocí myší, u kterých byla vyvolána srpkovitá nemoc , vědci vytvořili iPSC, u kterých opravili genetický defekt. Tyto buňky diferencované na hematopoetické kmenové buňky (prekurzorové buňky krevních buněk) byly znovu zavedeny do myší srpkovitých buněk, což vedlo k výraznému zlepšení symptomů u těchto buněk.
IPSC lze také použít jako součást personalizované medicíny. Například by bylo možné generovat jaterní nebo ledvinové buňky, které se použijí pro toxikologické analýzy různých léků, aby bylo možné určit, který z nich bude pro každého pacienta nejvíce tolerovatelný, což umožní lékaři udělat nejlepší volbu v rozsah léků dostupných k léčbě dané patologie. V souvislosti s degenerativními a genetickými abnormalitami lze iPSC použít k produkci buněk reprodukujících onemocnění in vitro, což usnadní studium onemocnění a provedení farmakologických testů za účelem stanovení nejlepšího terapeutického protokolu přizpůsobeného každému jednotlivému pacientovi. .
Tým společnosti RIKEN pod vedením výzkumníka Masayo Takahashiho provedl12. září 2014transplantace buněk sítnice u 70letého pacienta s věkem podmíněnou makulární degenerací (AMD), v první klinické studii na světě s použitím iPSC. Intervence spočívala v implantaci tenkého filmu buněk sítnice vyvinutého z dospělých kožních buněk paže této Japonky.
Indukované pluripotentní kmenové buňky poskytují vhodný alternativní zdroj lidských buněk pro biomedicínský výzkum. Od jednoduché biopsie kůže u pacientů mohou vědci tyto iPSC snadno získat. Mohou tak kultivovat a studovat různé typy buněk. Tyto buňky mají stejnou DNA jako pacient, což umožňuje reprodukovat v kultuře patologie spojené s genetickými mutacemi nebo alteracemi. To umožňuje studovat genetická onemocnění, ale také genetickou část složitějších patologických stavů , jako jsou poruchy autistického spektra nebo schizofrenie .
S nedávným pokrokem v genetice, zejména v systému CRISPR-CAS9, je také možné upravit iPSC zdravých pacientů tak, aby vyvolaly a studovaly fenotyp daných genomových změn.
IPSC mohou teoreticky generovat všechny buňky těla diferenciací buněk . Mohou být také použity k vytvoření organoidů , trojrozměrného miniaturního modelu tkáně nebo orgánu.
Ve výzkumu se říká, že diferenciace iSPC na sledovanou tkáň je „směrována“ : jejich diferenciace je in vitro vynucena směrem ke specifickému typu buňky. Je například možné vyvolat cílenou diferenciaci iPSC na bronchiální epitel představující všechny hlavní buňky distálních dýchacích cest: bazální buňky, klubové buňky, vlasové buňky a buňky hlenu. Takový epitel umožňuje uvažovat o modelování plicního vývoje in utero (a jeho modulaci znečišťujícími látkami, které procházejí placentární bariérou), dospělého bronchiálního epitelu nebo dokonce chronických patologických stavů, jako je CHOPN , vystavením těchto epitelů kouřovým extraktům.
Jednou z hlavních výhod iPSC je, že umožňují, aby se předpokládané buněčné terapie prováděly s kmenovými buňkami, aniž by došlo k destrukci embrya nebo terapeutickému klonování . Ve skutečnosti iPSC vykazují vlastnosti extrémně blízké embryonálním kmenovým buňkám, zatímco jsou generovány z dospělé buňky.
Možnost diferenciace iPSC na mužské a ženské gamety však teoreticky umožňuje klonovat osobu z dospělých buněk. IPSC také umožňují uvažovat o tvorbě chimérických zvířat člověk / zvíře, což také vyvolává etické problémy. Používání iPSC tedy není bez etických rizik.
Jednou z nezodpovězených otázek zůstává neznámá náchylnost těchto kmenových buněk k rozvoji rakoviny. Některé z faktorů používaných k indukci pluripotence jsou skutečně onkogeny, to znamená, že podporují tvorbu rakovinných nádorů, v tomto případě Klf4 a c-Myc. Navíc je pozorováno zvýšení exprese genů asociovaných s nádory v pluripotentních buňkách vyvolané těmito faktory.
Následující práce ukázaly, že je možné vyvolat pluripotenci, aniž by se uchýlilo k těmto onkogenům. Harvardskému týmu se například podařilo navodit pluripotenci použitím kyseliny valproové místo onkogenů, i když s menší účinností.
Kromě toho představuje použití virů jako prostředku zavedení faktorů přeprogramování do buňky rizika. Je to proto, že virová DNA může vstoupit do DNA hostitelské buňky a způsobit v ní genetické mutace. Proto bylo vyvinuto úsilí vyvinout techniky, které nevyžadují použití virových vektorů . Takto se týmům podařilo vyvolat pluripotenci dodáváním různých faktorů ve formě rekombinantních proteinů nebo mRNA . Účinnost těchto dvou technik je ale ve srovnání s virálním přístupem velmi nízká, a proto je třeba ji optimalizovat. Použití vektorů Sendai (neintegrativní RNA virový vektor) umožňuje velmi vysokou účinnost a vyhne se problému s vložením faktorů přeprogramování a současně umožňuje velmi účinné přeprogramování, včetně z krevních buněk.