Stamcellsforskning

Stamcellsforskning är ännu ett nytt område inom biologin. Mång stora framsteg, så som upptäckten av människans embryonala stamceller och vävnadsstamceller, har gjorts först under de senaste 25 åren.

Tack vare stamcellsforskning förstår vi till exempel idag rätt bra de tidigaste skedena i människans utveckling och kan differentiera stamceller till olika specialiserade celler och mini-vävnader i laboratoriet. Dessutom har många orsaker till tidigare dåligt kända sjukdomar upptäckts tack vare stamcellsforskning. I vissa fall har har forskningen redan lett till nya behandlingsmetoder.

Stamcellsforskningens anor härstammar från över hundra år av forskning i utvecklingsbiologi. År 1885 visade Hans Driesch att båda cellerna i ett sjöborrsembryo bestående av två celler kan bilda en hel sjöborre och således är totipotenta. Hans Spemann påvisade pluripotens hos ryggradsdjur (salamandrar) genom motsvarande experiment i början av 1900-talet.  

Världen fick vänta ett halvt sekel, till år 1962, förrän John B. Gurdon bevisade att specialiserade cellers identitet kan förändras. Gurdon ersatte cellkärnan hos ett grodägg med cellkärnan, innehållande dess arvsanlag, från en grodas tarmcell. Resultatet var ett grodyngel som utvecklades normalt. Det här visade för första gången att en cellkärna kan gå tillbaka till ett pluripotent stadium - på ett sätt tillbaka i utvecklingen. Gurdon fick Nobelpriset i fysiologi och medicin tillsammans med Shinya Yamanaka år 2012.

År 1981 isolerade Martin Evans, Matthew Kaufman och Gail Martin pluripotenta embryonala stamceller från ett musembryo och lyckades odla dem i laboratoriet. Motsvarande mänskliga embryonala stamceller upptäcktes av James Thomson och Jeffrey Jones så sent som år 1998. Detta öppnade ett nytt viktigt område inom forskningen som ledde till att man lärde sig förstå de första stadierna i människans embryonalutveckling.

År 1997 föddes till följd av Keith Campbells och Ian Wilmuts forskning världens första klonade däggdjur, fåret Dolly. Dolly härstammade från en bröstvävnadscells, vars cellkärna ersatte cellkärnan i en äggcell.

Forskning ledd av Shinya Yamanaka visade år 2006 att specialiserade musceller kan omprogrammeras tillbaka till ett pluripotent stadium, till pluripotenta inducerade stamceller, iPS-celler

Sedan millenniumskiftet har forskare kunnat differentiera först musstamceller och senare också människors embryonala eller iPS stamceller till celler som liknar funktionella vävnadsceller. Idag kan man skapa till exempel pulserande hjärtmuskelceller, insulinproducerande bukspottakörtelceller eller minihjärnor, vars uppbyggnad påminner om hjärnbarken. Fastän man redan har transplanterat sådana celler, som differentierats från pluripotenta stamceller, till möss och fått dem att fungera är utnyttjandet av dessa celler i vård av sjukdomar hos människor först under utveckling.

Redan i början av 1900 talet, framlade Alexander Maximov en hypotes enligt vilken blodets alla celler skulle härstamma från en gemensam stamcell. Ett halvt sekel senare, i början av 1960-talet, bevisade James Till och Ernest McCulloch, blodstamcellernas existens i försök där de transplanterade ny benmärg till möss vars egen benmärg hade förstörds med strålbehandling. Det här var det första beviset på att vävnadsstamceller finns hos vuxna däggdjur. Benmärgstransplantationer har använts framgångsrikt i vård av människor sedan 1960-talet.

På 1970-talet lyckades Howard Green ovetande som först i världen odla vävnadsstamceller i laboratoriet och lade samtidigt grunden för utvecklandet av hudtransplantationer. Hudstamcellerna upptäcktes först över 30 år senare.

I början av 1990-talet lyckades James Rheinwald i sin tur få provbitar av hornhinnor att växa i laboratoriet på grund av de stamceller som fanns i proven. Några år senare gjorde en forskningsgrupp ledd av Michele De Luca redan de första transplantationerna av hornhinnor åt människor.

Tack vare utvecklingen av forskningsmetoder har man sedan början av 2000-talet kunnat påvisa att det finns stamceller i så gott som alla organ. Utvecklingen har lett till upptäckten av bland annat tarmens, lungornas, magsäckens och leverns stamceller. Framsteg har gjorts med hjälp av så kallade linjespårningsförsök (engl. linage tracing), där stamcellerna uttrycker ett spårämne. Genom att följa hur spårämnet nedärvs kan man ta reda på vilka vävnadsceller stamcellen kan ge upphov till. På det sättet kan man påvisa vilka celler som ansvarar för att producera andra celler och förnyar vävnaden. 

Nuförtiden anser forskare att så gott som alla vävnader har stamceller eller progenitorceller som kan förnya vävnaden. Också i hjärnan finns det celler med stamcellsegenskaper fast deras roll som förnyare av nervceller är oklar. Människohjärnans förnyelseförmåga är i vilket fall som helst mycket begränsad.   

En annan viktig metod som används inom forskning om vävnadsstamceller är organoidodlingar. Organoider är 3D cellodlingar som har egenskaper som påminner om vävnader. I organoider kan stamceller och deras grannceller vanligen upprätthållas långa tider. Ett bra sätt att påvisa att en cell är en vävnadsstamcell är att visa att cellen kan producera en organoid. Om organoiden innehåller alla celler som finns i vävnaden i fråga i rätta proportioner, kan cellen som gav upphov till organoiden förnya vävnaden genom att balansera celldelning och differentiering. Organoidodlingar är en bara lite över tio år gammal forskningsmetod inom stamcellsbiologin, men de används redan mycket till exempel i läkemedelstest inom precisionsmedicin och inom forskning som undersöker vävnaders förnyelse.    

Till stamcellsforskning räknas både grundforskning, som strävar till att förstå biologiska fenomen och tillämpad forskning, som bygger på grundforskning och har som mål att utveckla nya vårdmetoder. Tack vare stamcellsforskningen förstår vi idag rätt bra de tidigaste skedena i människans utveckling och kan därför i laboratoriet differentiera stamceller till olika specialiserade celler och mini-vävnader. Dessutom har många orsaker till tidigare dåligt kända sjukdomar upptäckts tack vare stamcellsforskningen, och vi är nu ett steg närmare nya vårdmetoder.

Upptäckten av däggdjurs embryonala stamceller i slutet av förra milleniet möjliggjorde helt nya sätt att undersöka de första stadierna i individutvecklingen. Av dessa celler gjordes också flera värdefulla så kallade cell-linjer, som kan frysas ner och tinas på nytt, vilket minskade på behovet att använda nya embryon. Tack vare embryonala stamceller känner vi bland annat mycket noggrannare till de genmekanismer som styr embryonalutvecklingen. Forskning som använder sig av embryonala stamceller har också varit mycket värdefulla till exempel för utvecklandet av konstgjord befruktning.

Snart efter upptäckten av embryonala stamceller lärde forskare sig också att i laboratoriet differentiera stamcellerna till specialiserade celler, till exempel till hjärtmuskelceller eller nervceller. Tidigare härstammade de människoceller som användes i forskning huvudsakligen från tumörer. Med hjälp av tumörceller har man gjort åtskilliga betydande upptäckter. Men först utvecklandet av metoder för att differentiera stamceller har möjliggjort användandet av relevanta cellmodeller för forskning av många sjukdomar, så som nervsjukdomar. Inom sjukdomsmodellering använder man förutom celler som differentierats från embryonala stamceller, allt oftare celler som härstammar från iPS-celler.

iPS-cellernas popularitet inom forskningen beror delvis på deras tillgänglighet. Men iPS-cellernas största värde ligger i att de görs från patientens egna celler. Tack vare iPS-teknologin kan man idag forska till exempel i nervsystemets sjukdomsmekanismer i nervceller som härstammar från patientens egna hud- eller blodceller och därmed motsvarar patienten genetiskt. Genom att använda patientens egna celler kan man alltså klargöra sjukdomens orsaker på ett individuellt plan.

Eftersom det inte är lätt att få tag på människors vävnadsstamceller, använder sig forskare mycket av modellorganismer, så som möss eller bananflugor, för att studera vävnadsstamceller. Genom att använda modellorganismer har man kunnat förstå hur hela organ, så som tarmen, huden eller blodet förnyas och också hur många sjukdomar, så som till åldrandet hörande dystrofisjukdomar eller cancer uppkommer. Dessutom kan man studera hur vävnadernas struktur samt systemiska faktorer, så som blodomloppet eller ämnesomsättningen, påverkar vävnaders förnyelse, då man använder modellorganismer.

Nuförtiden använder man också ofta mini-organ, eller 3D-organoider, som härstammar från djur- eller människoceller inom stamcellsforskningen. I organoiderna är vävnadens uppbyggnad delvis bevarad. Organoidmetoderna har möjliggjort detaljerade studier av vävnadsförnyelse och därmed fört stamcellsforskningen ett steg närmare framtida behandlingar.

Finlands Akademis spetsforskningsenheter

Spetsforskningsenheten för stamcellsmetabolism, MetaStem
Spetsforskningsenheten för stamcellsmetabolism fokuserar på betydelsen av stamcellernas ämnesomsättning för stamcellernas funktion och för att upprätthålla stamcellerna. Enheten studerar även hur stamcellernas funktion kan styras genom att reglera deras metabolism och på det sättet främja utvecklingen av stamcellsbaserade behandlingar. Länk till nätsidorna.

Spetsforskningsenheten för flervävnadsmodellering, Body on-Chip
Spetsforskningsenheten producerar betydande ny kompetens, till exempel förståelse för vävnaders samverkan under odlingsförhållanden, in vitro-byggande av kombinerade vävnader samt styrning av deras funktioner. Med det eftersträvade konceptet, som kombinerar biologi och konstgjorda strukturer, försöker man bland annat effektivisera läkemedelsutvecklingen och ta fram individuella behandlingar. Länk till nätsidorna.

Forskningsprogram och grupper vid Hel­sin­gfors universitet

Forskningsprogrammet för stamceller och metabolism, Medicinska fakulteten
Till exempel Timo Otonkoski, Anu Suomalainen-Wartiovaara, Henna Tyynismaa, Sara Wickström, Kirmo Wartiovaara, Taneli Raivio, Satu Kuure och Juha Kere. Länk till nätsidorna.

Helsinki Institute of Life Science, HiLIFE
Institute of Biotechnology, till exempel Pekka Katajisto, Marja Mikkola, Ville Hietakangas, Anamaria Balic, Jette Lengefeld, Fredric Michon, Osamu Shimmi och Jukka Jernvall. Länk till nätsidorna.
Neuroscience Center, till exempel Jari Koistinaho, Takashi Namba och Olli Pietiläinen. Länk till nätsidorna.
FIMM, till exempel Helena Kilpinen. Länk till nätsidorna.

Övriga vid Helsingfors universitet
Till exempel, Maija Castrén, Kari Alitalo, Tomi Mäkelä, Jaakko Mattila, Sanna Vuoristo och Kirsi Sainio

Övriga platser i Finland

Tammerfors universitet, Fakulteten för medicin och hälsoteknologi
Till exempel Katriina Aalto-Setälä, Heli Skottman, Keijo Viiri, Minna Kellomäki, Susanna Miettinen och Susanna Narkilahti. Länk till nätsidorna.

Uleåborgs universitet
Fakulteten för biokemi ock molekylmedicin. Till exempel Seppo Vainio och Aki Manninen. Länk till nätsidorna.
Medicinska fakulteten. Till exempel Reetta Hinttala och Petri Lehenkari. Länk till nätsidorna.

Östra Finlands universitet.
Till exempel Riikka Martikainen, Johanna Kuusisto, Annakaisa Haapasalo, Tarja Malm och Sarka Lehtonen. Länk till nätsidorna.

Åbo universitet
Till exempel Riitta Lahesmaa, Riikka Lund, Terhi Heino och Johanna Ivaska. Länk till nätsidorna.

Blodtjänst Länk till nätsidorna.