Embryonala stamceller, vad är det och vad kan de användas till?

Embryonala stamceller, vad är det ochvad kan de användas till?Leif Carlssondocent, mikrobiologInstitutionen för molekylärbiologiJag ska berätta om stamceller av olika typer som man kanutvinna från embryon och om vad man kan göra med dem.Jag kommer inte att spekulera så mycket om vad man skullekunna göra, utan allt är faktiskt redan gjort. Det här är ingenscience fiction eller något skräckscenario, det är vad mankan göra idag – och vad man skulle kunna göra i framtidenär egentligen bara en fråga för er egen fantasi.Som ni kanske har sett har det varit mycket debatt om stamcellerna och ämnetär rätt etiskt och moraliskt känsligt. Jag vill för min del bara upplysa om vad dethär gäller och vilken stor nytta stamcellerna kan medföra i framtidens medicin.I den sista delen av föredraget tar jag upp genereringen av blodstamceller frånembryonala stamceller – det är vad jag håller på med i min egen forskningsgrupp– och vi får se hur mycket jag hinner av det.TRE TYPER AV STAMCELLERDet finns olika typer av stamceller som man kan utvinna från tidiga embryon(eller foster, beroende på hur man vill definiera dem). Det man i dagligt tal kallar”stamceller från embryon” är embryonala stamceller eller ES-celler. Dem kan manfå från sex dagar gamla embryon, blastocyster. Jag kommer tillbaka till termernamer i detalj senare. Det finns också embryonala germceller, dvs. embryonala könsceller,EG-celler. De kommer från 5–10 veckor gamla embryon, närmare bestämtfrån det som så småningom ska bli könscellerna. Sedan finns också embryonalacarcinomceller, eller EC-celler, och egentligen var det med sådana man börjadebearbeta det här fältet. Alla de här tre celltyperna har likvärdig förmåga att bildaorgan och celler, det är bara det att deras ursprung är olika.Jag ska nu försöka förklara de konstiga uttryck jag svänger mig med. Embryonalagermceller är pluripotenta celler som man kan odla för evigt; evigheten kan9

vi förstås inte uppleva än, men de kan faktiskt odlas länge. Att de är pluripotentabetyder bara att de kan göra många saker, dvs. bli till olika vävnader och celler bådei odlingskultur och in vivo, och jag ska komma tillbaka till vad det betyder. Dekommer från något som kallas primordial germ cells, dvs. celler som bildas tidigt iembryot och så småningom utvecklas till könscellerna. I mus kan man etableraembryonala germceller 8–13 dagar och i människa 5–10 veckor efter befruktningenav ett ägg. Vad är det då som de kan göra? De kan generera alla typer av vävnaderoch celler in vivo. De kan också generera alla typer av vävnader och celler in vitro,dvs. i kultur. Man kan i en odling gå från de här cellerna till egentligen alla typer avceller: Hjärtceller, muskelceller osv.De embryonala stamcellerna, ES-cellerna, är som sagt i stort sett identiska medde embryonala germcellerna. Den enda skillnaden är att man kan generera demi mus fjärde dagen efter befruktningen av ett ägg och i människa sjätte dagen.Och, om igen, de kan generera alla typer av vävnader in vivo och in vitro.IN VIVO OCH IN VITROVad är då in vivo och in vitro? Om man tar ett obefruktat ägg och ger det enspermie så att det blir befruktat, kommer det att utvecklas genom att delas engång, två gånger etc. och bli något som kallas en blastocyst; se figur 1. Det svartmarkeradeär den del som kommer att utvecklas till en vuxen individ. Den kallasinre cellmassan och kommer att genomgå en in vivo-differentiering; det betyderatt cellerna i den utvecklas till alla organ i en vuxen individ. Men det som är såbra med de här inre cellmassecellerna är att man kan ta ut dem ur blastocysten –oavsett om det är mus eller människa – och odla dem i kultur. Då kallas deembryonala stamceller i och med att de kommer från blastocysten. De ser kanskeinte så upphetsande ut, bara celler som växer i en odlingskultur. Men när manhar odlat dem färdigt kan man faktiskt stoppa tillbaka dem i en annan blastocystsom kommer från ett annat befruktat ägg – och då kan de odlade cellerna följamed i differentieringen, dvs. att man kan få färdiga organ i den vuxna individensom har sitt ursprung i cellkulturen.Det här är hela grunden för den moderna biologin, det faktum att man kangenetiskt modifiera de här cellerna och sedan stoppa tillbaka dem. Därmed kanman få en mus med i stort sett vilken mutation som helst utifrån de celler manhar odlat. Det var det jag menade med att ES-cellerna kan differentiera in vivo10

Figur 1. Embryonala stamceller utvinns ur ett befruktat ägg som får utvecklastill blastocyststadiet.till vilka organ som helst. De är funktionellt utbytbara, så även EG-celler ochEC-celler kan stoppas in så här och differentiera till organ i den här vuxna individen.Minst lika viktigt – och något som jag själv tyckte var imponerande med de härcellerna när jag ville lära mig hur de fungerade – är att om man tar bort en vissfaktor, leukemia inhibitor factor (”LIF” i figur 1), kommer de här cellerna attdifferentiera in vitro, alltså i cellkultur, och där börja bilda olika typer av celler. Vikallar dem embryoida kroppar därför att de inte är embryon, utan embryolika,och från de här kropparna kan man isolera och ta ut olika typer av celler in vitro,alltså i provrör. På samma sätt kan också framför allt EG-celler gå den här vägenoch differentiera in vitro. EC-celler är lite värre, men både EG- och ES-celler –11

eller stamceller – kan gå den lodräta vägen som visas på figur 1. I det fallet bildasblodceller.FRÅN EMBRYO ELLER FOSTER?Det som skiljer ES-celler och EG-celler är när man isolerar dem. Motsvarandegäller också för människa: Tidigt, dag 4 efter befruktningen, kan man isolera EScelleroch senare EG-celler. De är funktionellt likvärdiga stamceller, egentligenligger skillnaden bara i från vilket stadium man tar dem. I och med att manisolerar dem från olika skeden under embryoutvecklingen blir emellertid innebördenhelt olika i de fall man ska ta dem från människa: För att kunna ta EGcellertvingas man använda aborterade foster i och med att könscellerna bildas såsent. Anledningen till att jag här tar upp EG-celler över huvud taget är att i deförsta publikationer (1998) där någon redovisade att man har gjort humana stamcellervar det så man hade arbetat, alltså utifrån aborterade foster.ES-celler behöver inte utvinnas från foster, utan man kan ta dem från befruktadeägg på IVF-kliniken (IVF = in vitro-fertilisering, dvs. konstgjord befruktning).För att få ES-celler kan man där använda ett ägg och en spermie från barnlösaföräldrar. Spermien kan befrukta ägget i en cellodlingsskål, och allt det som visadesöverst på figur 1 kan faktiskt göras i cellkultur. Embryonala stamceller tillverkasgenom att man tar överblivna ägg från IVF-kliniker, gör befruktningsprocesseni kultur, plockar ut inre cellmassan och börjar odla enligt figur 2. Vad jag harförstått tar man i Sverige de embryon som inte passar för att sättas tillbaka in ilivmodern på mamman; de är med andra ord överblivna och ska ändå kastas.ATT ODLA ORGANVad vill man då använda ES-celler till? Ja, man kan som sagt differentiera dem invivo och in vitro, se figur 1. Naturligtvis är in vivo-differentiering för människaingenting värt att tala om: Det kan och får vi inte göra och jag tycker inte att detfinns något biologiskt intresse av genetiskt modifierade människor. Men i mösseller andra försöksdjur är det en viktig metod för att förstå biologiska processer.Om man däremot skulle använda människostamceller är det naturligtvis teoretisktmöjligt att differentiera dem in vitro – och det är ju en teknik som passar in i temat”reservdelsmänniskan”.12

Vid transplantationer, teoretiskt sett igen, skulle man kunna tänka sig att ersättaegentligen vad som helst med embryonala stamceller, i och med att de kanbilda alla typer av organ och celler. För min del tycker jag att det som är det mestintressanta – och som jag fortfarande kan sitta och bara titta på därför att det ärså läckert – är embryoutvecklingen i ett provrör...I debatten har man ibland sagt att man vill använda ”vuxna” stamceller för attinte hamna i den etisk-moraliska debatten om embryonala stamceller. Det ärbara det att det som embryonala stamceller kan göra i kultur kan ingen vuxenstamcell göra ...ännu, ska jag väl kanske tillägga. Vuxna celler kommer inte ens inärheten av de embryonala stamcellernas potential.Nu kommer jag tillbaka till vad man de facto redan har gjort. De här typerna avorgan och celler har man bildat i kultur – hittills från embryonala stamceller: ManFigur 2. Odling av embryonala stamceller, tidsskala t.h.13

har utvecklat blodceller, både vita och röda blodkroppar. Det är också egentligendet enda som man helt tydligt har tagit fram med stamceller från människa. Manhar också, och det är det som vi arbetar med här i Umeå, gjort blodstamceller frånembryonala stamceller, dvs. de stamceller som normalt gör de vita och rödablodkropparna i en vuxen individ. Man har vidare gjort blodkärl, hjärtmuskelcelleroch jag ska snart visa hur det ser ut på video. Vidare har man gjort skelettmuskelceller,som skiljer sig från hjärtmuskelceller i och med att de senare pulserar kontinuerligt,och även hudceller.Nervceller har man dessutom fått fram och även deras stödjevävnad – och detär viktigt vid t.ex. MS där det är stödjevävnaden som bryts ned. Nervcellernasjälva är viktiga vid Parkinsons sjukdom, Alzheimers sjukdom m.m. Man hart.o.m. lyckats få till vad som ser ut som en neuromuskulär koppling i en synaps,alltså kopplingen mellan en nerv och en muskel. Det tror man egentligen måstevara en ofantlig organisation, men även här har man lyckats gå ifrån de till synesrätt trista cellodlingarna till en fungerande koppling. Alldeles nyligen, i våras,publicerades en artikel om att man har lyckats göra insulinproducerande cellerFigur 3. Jämförelse mellan embroid kropp och embryo.14

som liknar de Langerhanska öarna i bukspottkörteln, dvs. de som går sönder vidtyp 1-diabetes. Det är naturligtvis viktigt för diabetesforskningen,Nu ska jag visa hur man har gjort efter att man har gått från en embryonalstamcell till en embryoid kropp. Om man låter den här kroppen utvecklas underförhållanden som gynnar blodcellsbildning fylls den av blodceller, som på figur 3.Ofta är de ihåliga och den börjar ju bli lite mörk inuti. Och låter man utvecklingengå vidare läcker det ut och sedan har man fullt med blod runt den. Det härär en rätt grov metod för att göra det, men ändå rätt illustrativt. På den videofilmjag nu visar har vi odlat på ett annat sätt för att få stamcellerna att gå mothjärtmuskelceller. Vi kan se en ansamling av hjärtmuskelceller som slår i takt.Från de tråkiga embryonala stamcellerna har man gått via en differentiering invitro – helt i kultur och utanför kroppen – fått det här. Vi har sett mycket mer änså, ibland rena under. Vi vet ju inte riktigt vad som styr det här, men i andra fallkan man t.o.m. se nerver börja växa ut. Det här tycker jag är imponerande, förmig är det rena action-filmen.Det är ju en sak att göra saker in vitro, men man har faktiskt också redan börjatlyckas med transplantationer. Det är naturligtvis bara gjort i försöksdjur, bl.a.har man transplanterat in hjärtmuskelcellerna i ett hjärta på en vuxen individ.De har då helt inkorporerats i mottagarens hjärta och man kan inte skilja dessaceller ifrån de kroppsegna: De slår i takt och reparerar den skada som fanns därfrån början. På motsvarande sätt har man gjort med nervceller som genererats invitro: Sprutat in dem i ett tidigt embryo och sett att de nya nervcellerna följerprecis den utveckling som sker i ett normalt embryo, inkorporeras i en normalhjärna och finns med i den vuxna individen. Man har också lyckats transplanterain nervstödjevävnader, oligodendrocyter, i en musmodell med defekt myelinbildning– alltså den isolering som ligger runt nerverna – och lyckats vända på den sjukdomsom fanns. På samma sätt har man lyckats transplantera vid ryggmärgsskador,och det är viktigt för om ryggmärgen går av blir man ju förlamad. Genomatt kunna återskapa både nerver och nervstödjevävnad skulle man ju kunna fåtillbaka funktionen, och det här har man alltså redan gjort i försöksdjur.För att sätta det här i tidsperspektiv vill jag visa en jämförelse, figur 3: Om manjämför med ett normalt embryo skulle då en ES-cell som har utvecklats 5 dagarmotsvara ett 9 dagars embryo, t.h. Som ni ser så är det en rätt stor skillnad, menallt som finns i embryot finns också i ES-cellen. Det gäller bara att lära sig förståhur man ska styra det och sedan använda det kliniskt.15

TERAPEUTISK KLONINGPå senare tid har uttrycket terapeutisk kloning dykt upp. Även det har man redangjort i försöksdjur och sett att det fungerar. Tanken med terapeutisk kloning äratt göra stamceller som är identiska med en given individ. Vad man i princip görär att ta en cell, teoretiskt sett vilken som helst, från en vuxen individ. Man tar utcellkärnan, sätter in den i ett ägg (det behöver inte ens vara befruktat) från vilketman tar bort kärnan, sätter in den nya istället och får ett ägg med en kärna frånen vuxen individ, se figur 4. Sedan kan man aktivera hela processen tills mankommer till blastocyststadiet och då på ett relativt enkelt sätt göra ES-celler ochbilda organ, jfr figur 1. Därmed blir de här nybildade organen helt identiska medden ursprungliga individen. Det är det här som kallas terapeutisk kloning ochFigur 4. Principen för terapeutisk kloning.16

som man anser kommer att betyda mycket. Jag tror dock för min del att användningensäkert kommer att dröja 20–30 år.Det vi själva gör är att försöka odla blodstamceller, dvs. de som ger upphov tillalla celler som vi har i blodet; det består till 50 % av celler. Blod bildas i oss fråntredje graviditetsveckan fram till i stort sett när vi dör, och det är en viktig processdärför att blodet har livsviktiga funktioner.Konceptet blodstamceller har varit accepterat i 50 år, och vi har kunnat isoleradem och studera dem sedan mitten av 1980-talet, men med problemet är att viännu inte har en aning om hur de förnyar sig själva. Det är det som vi är intresseradeav, det faktum att de inte går att expandera i kultur. Blodstamcellernaanvänds ju idag, det har nästan blivit klinisk praxis vid benmärgstransplantationer– det är just blodstamceller man transplanterar då. Vad vi ville göra var att pånågot sätt få fram blodstamceller som kan förnyas i kultur och som vi kan studeradär. Vad vi gjorde var att genetiskt manipulera de embryonala stamcellerna,gå den här in vitro-differentieringsvägen som på figur 1, och det visade sig att vikunde isolera en cell som beter sig precis som en normal blodstamcell. De härblodstamcellsliknande cellerna kan vi odla upp i cellkulturer i stora kvantiteter,och vi har därmed ett system för att direkt kunna studera blodstamceller på molekylärnivå. Resultaten från dessa studier skulle kunna leda till att vi i framtidenkan mångfaldiga normala blodstamceller för att kunna upp en ”blodstamcellsbank”,dvs. en outtömlig källa för blodstamceller som kan användas vid benmärgstransplantationer.SVERKER OLOFSSON: Det är ju fruktansvärt intressant att höra på detta, och helatiden kan jag tänka mig att jag inte är ensam om att sitta och fundera på att dethandlar om både känslor och etik och en massa sådant. Jag tänkte, och du kansketycker att det är en väldigt konstig fråga: Kan man bygga ett helt organ med detsom du pratar om? Enkelt uttryckt, skulle man kunna bygga ett hjärta?LEIF CARLSSON: Ja, det tror jag absolut. Men jag tycker att det framför allt måstebygga på att man har en bra grundforskning, det är det viktiga. Men svaret berorockså på vad du menar med ett ”organ”. I blodet är ju blodstamcellerna självaorganet, så i det fallet kan vi ju redan göra det, men jag tror också att man skullekunna bygga hjärta, njurar, lever osv.SVERKER OLOFSSON: I det här paketet ligger ju hela tiden de etiska funderingarna– jag antar att en del säger tveksamheterna och andra störningarna. Manskulle ju kunna komma runt en del etiska frågor om man kunde bygga organ.17

För etik handlar också om hur mycket man har rätt att ta från en annans kropp.LEIF CARLSSON: Jo, men jag tycker att den etiska debatten när det gäller embryonhar låst sig därför att vissa tycker att ett befruktat ägg är en individ, punkt slut,och det för inte debatten framåt.SVERKER OLOFSSON: Vad tycker du?LEIF CARLSSON: Jag tycker att som man gör det nu är det helt okej, därför att påIVF-kliniken slänger man ändå de överblivna äggen och det tycker jag inte ärbra. Varför ska man slänga dem när man kan använda dem? Jag ser inte att detskulle vara mer etiskt försvarbart än att använda dem för forskning.SVERKER OLOFSSON: För dig är det inte ens ett etiskt problem?LEIF CARLSSON: Nej.SVERKER OLOFSSON: Jag måste fråga en sak, bara för att förstå det: Vid en olycka,ja, även vid operationer vet jag av erfarenhet, kan ju en nerv bara gå av och då harman inte den funktionen kvar. Kan man limma ihop det här, tror du? Alltså medden forskning du håller på med, sätta ihop några nervtrådar igen och så funkardet?LEIF CARLSSON: De djurförsök som jag visat på här tyder ju på att man skullekunna göra det. Och det är ju bara initiala försök, det finns en enda publikationän så länge och den kom för något år sedan. Nu hade jag inte tid att gå igenomhistoriken, men egentligen bygger allt här som jag har berättat om på en upptäcktsom man gjorde 1985 – och det tror jag berodde på att man inte visste hurman skulle odla de här cellerna och plötsligt såg man att det började bildas blodoch hjärtmuskler! ”Oj, vad är det som händer?”SVERKER OLOFSSON: Jag anar ju vad du säger, när du pratar om vilka möjligheterdu ser... De är ju obegränsade förstås?LEIF CARLSSON: Ja.SVERKER OLOFSSON: Samtidigt hör vi hur du ser på de etiska frågorna, på diglåter det som om bara etiken inte lägger hinder i vägen kommer man att kunnagöra nästan vad som helst.LEIF CARLSSON: Jag tycker i och för sig att det ska vara en helt öppen debatt. Jagtycker att om de här statliga organen sticker huvudet i sanden och säger att viförbjuder allt stöd till forskning om det här, men privata företag får göra det. Detär fullständigt förkastligt för då tappar vi helt kontrollen.18