Stam Celler og Kreft Eva Wessel Pedersen Avdeling for Tumorbiologi,, Radium Hospitalet Cancer Stem Cell Innovation Centre
Oversikt Stamceller generelt Hvorfor vi forsker på stamceller Kreft-stamceller Sammendrag
Cellene i kroppene vårev Menneskekroppen består av diverse organer og vev, som hver består av mange millioner av celler Flesteparten er spesialiserte celler med bestemte oppgaver (f.eks nerveceller, blodceller, hudceller og muskelceller) Spesialiserte celler har begrenset levetid, og nye celler må hele tiden produseres
Stamceller De spesialiserte cellene i kroppen produseres av, eller stammer fra stamceller Stamceller er den eneste celletypen som også kan produsere flere stamceller Stamceller kan også kalles mor-celler eller opphavsceller Stamceller er sjeldene celler. I f.eks benmargen utgjør stamcellene 0,01% av det totale antall celler
Differensiering Spesialiserte celler Bildet er tatt fra Cappelens nye Biologi lærebok
Differensiering Prosessen der celler spesialiseres Hudceller, muskelceller og blodceller er differensierte celler Stamceller er udifferensierte celler
To typer stamceller Pluripotente stamceller kan gi opphav til alle celler som finnes i kroppen Multipotente stamceller kan gi opphav til forskjellige celletyper, men kunn innenfor en bestemt nisje
Hvor i kroppen finnes stamcellene? Blant annet: Embryonale-stamceller Føtale-stamceller Navlestreng-stamceller Nerve-stamceller Pluripotente stamceller Hematopoetiske-stamceller (benmarg)
Oppsummering så langt Millioner av spesialiserte celler dør hvert sekund Stamcellene lager nye celler for å erstatte de døde cellene i kroppen Stamcellene deler seg sjelden, mens forløpercellene deler seg raskt og kan produsere mange spesialiserte celler Uten stamceller dør vi
Overlevelses mekanismer Spesialiserte celler får kortere telomerer for hver celledeling Telomerer finnes på enden av hvert kromosom og fungerer som et slags klippekort. Når telomerene blir for korte kan ikke cellen dele seg lenger Stamceller har et enzym, telomerase, som forhindrer forkortningen av telomerene. Stamceller har et slags frikort
Overlevelses mekanismer Stamceller har bedre DNAreparasjonssystem Stamceller kan pumpe ut farlige stoffer Stamceller har enzymer som kan ufarliggjøre skadlige stoffer
Kontroll mekanismer stamcelle deling etter behov Stamcellene lager mer celler når det er nødvendig, f.eks for å reparere skadet vev Cellene snakker med hverandre og gir beskjed via signalveier Streng kontroll er nødvendig
For mye eller for lite stamcelle- deling fører f til sykdom Når stamcellen deler seg for ofte får man sykdommer som kreft Når stamcellen deler seg for sjeldent får man sykdommer som gikt og Parkinson s Balansen er svært viktig
Stamceller og forskning Ved å studere stamceller og deres utvikling (differensiering) til spesielle celletyper, kan vi forstå hvordan denne prosessen foregår
Stamceller påp laboratoriet Stamceller isoleres fra vev (stamcellene utgjør kunn en liten prosent) Dyrkes i plastflasker med spesielt dyrkningsmedium som egner seg for stamceller Faktorer som forhindrer differensiering og leder til stamcelle-fornyelse er tilsatt Cellene behandles i sterile cellebenker og dyrkes sterilt ved 37ºC
Hematopoetiske stamceller Siden 1950-årene har det vært forsket på stamceller som lager blodceller Modellsystem for stamceller Den hematopoetiske-stamcellen sitter på toppen av et familietre av blodceller
Benmargstransplantasjon Ved ekstra sterk cellegiftkur drepes ikke bare kreftcellene, men også stamcellene som lager blodceller Pasientens egen benmarg fryses ned før kraftig cellegift gis Pasienten får sin egen benmarg transplantert etter behandlingen, slik at nye blodceller kan lages Første gang utført i 1968 av Donnall Thomas
Benmargstransplantasjon Hvis kreften har spredd seg til benmargen må pasienten få benmargstransplantasjon fra en giver Giveren må ha samme vevstype slik at ikke cellene blir avstøtt av pasientens immunforsvar Ca. 75 personer i Norge trenger benmargstransplantasjon hvert år
Stam celler og forskning Pluripotente stamceller har potensialet til å brukes som behandling av sykdommer som idag ikke kan kureres (bl.a hjerte- og hjerne-sykdommer)
Embryonale stamceller Embryonale-stamceller kan produsere alle cellene i mennesket Disse pluripotente stamcellene kan isoleres i laboratoriet Bildet er tatt fra Cappelens nye Biologi lærebok
Etiske hensyn Bruk av embryoer og aborterte foster i forskning er svært omstridt Embryonale stamceller er isolert fra blastocyst, et befruktet egg som har delt seg over 5-6 dager (ordet embryo er missvisende) Pluripotente embryonale stamceller ble først isolert fra mus i 1981, og mennesket 1998 Fra 1. Januar 2008 er det lov å bruke overtallige befruktede egg som stamcellekilde i Norge (Bioteknologiloven)
Omprogrammering av spesialiserte celler til stamceller Hvis man kan omprogrammere celler trenger man ikke isolere pluripotente celler fra embryo eller foster Hvilke gener må uttrykkes for at en celle skal være pluripotent? En Japansk gruppe har i 2006 omprogrammert hudceller til pluripotente stamceller ved å uttrykke 4 bestemte gener
Sykdommer som eventuellt kan kureres av stamcelle-behandling Stamceller kan i prinsipp regenerere ødelagte vev Man håper å kunne bruke stamceller for behandling av bl.a (Parkinson s og Alzheimer)
Kreft-stamceller
Kreft-stamceller Ble først oppdaget i 1994 av en gruppe som forsker på leukemi Ligner på mange måter vanlige stam celler Har evnen til å lage nye kreftsvulster bestående av forskjellig celletyper Har stamcelle-liknende overlevelsesmekanismer Utgjør ofte kunn 0,1-1% av cellene i en svulst
Differensiert celle Selvfornyelse Mutasjoner Differensiering Normal stam- celle Normal forløper per- celle Kreft-stamcelle Malign forløpercelle Selvfornyelse differensierte kreftceller
Dagens kreftbehandling Strålebehandling Cellegift Kirurgisk inngrep Hovedmålet er å redusere størrelsen på svulsten
Kreftsvulst Behandling Kreft-stamcelle overlever Tilbakefall Metastase
Cellegift fører til selvfornyelse En gruppe som forsker på brystkreft viste nylig at kreft-stamcellene har økt selvfornyelse når de blir utsatt for cellegift Kreftceller fra pasienter som hadde fått cellegift, laget flere og større svulster i mus (xenograft), enn kreftceller fra ubehandlede svulster
Kreftstatistikken i Norge ~24 000 mennesker per år får kreftdiagnose ~60% er fremdeles i live 5 år etter at de fikk diagnosen Tallene er hentet fra www.kreftregisteret.no
Fremtidens kreftbehandling I noen tilfeller vil kreft-stamcellen være frøet som gir opphav til svulsten I mange tilfeller vil kreftsvulsten sannsynligvis dø ut dersom kreft-stamcellene drepes Kreftforskningen fokuserer nå på utvikle behandling som dreper kreft-stamcellene Vi må studere kreft-stamcellene på laboratoriet for å forstå hvordan cellene fungerer og hvordan de kan drepes
Cellelinjer: kreftceller vokser i dyrkningsmedium i plastskåler i laboratoriet i lengere tid. Dette kaller vi in vitro celledyrkning Xenograft: kreftceller,eller en liten bit av en human svulst settes under huden på en mus. Svulsten vokser i et miljø som bedre ligner mennesket Pasientprøver: celler tas direkte fra svulsten og brukes i eksperimenter
Celler dyrket i laboratoriet Celler fra xenograft Celler fra normalt vev Bilder fra Eva Wessel Pedersen
Vi kan overføre vitenskapen vi har om vanlige stamceller og bruke for å isolere kreft-stamceller fra svulster
Unike Stamcelle-egenskaper egenskaper En spesiell kombinasjon av overflatemolekyler (proteiner) Overlevelses mekanismer: Proteiner i membranen som aktivt pumper ut farlige stoffer Aktive enzymer som bryter ned farlige stoffer i cellen
Cellulære overflatemolekyler Hematopoetiske stamceller har et protein som heter CD34 uttrykt på overflaten De spesialiserte (differensierte) blodcellene har ikke samme proteinet uttrykt Man kan bruke antistoffer til å isolere celler med bestemte proteiner på overflaten
Isolering ved hjelp av magnetiske kuler Antistoffet kan festes til magnestiske kuler Cellene vi skal isolere bindes spesifikt til antistoffet Vi bruker magnet for å holde på cellene vi ønsker, og vasker bort de andre cellene som ikke har bundet seg
Isolering ved hjelp av flow cytometer Antistoffet kan festes til et fargestoff Cellene vi skal isolere bindes til antistoffet Hele cellepopulasjonen kjøres gjennom et flow cytometer der cellene belyses med laserlys Fargestoffet som er bundet til antistoffet vil lyse opp og maskinen kan isolere disse cellene
Flow cytometer Flow cytometer gjør det mulig å isolere svært rene populasjoner De fleste metodene vi benytter for å isolere kreft-stamceller involverer bruken av flow cytometer
Isolering av stamceller ved hjelp av flow cytometer CD133 er et overflateprotein som finnes på flere typer vanlige stamceller. Forskere har også vist at Kreft-stamceller fra forskjellige krefttyper uttrykker dette overflateproteinet. Vi kan bruke denne metoden for å isolere denne populasjonen av celler, for å forske videre i laboratoriet CD133 0,3% Data fra Eva Wessel Pedersen
Kreft-stamceller har aktive membran-pumper Mer enn 40 forskjellige proteiner i membran-pumpe-familien har blitt identifisert Membran-pumpene pumper bl.a. ut cellegift og er en av grunnene til at stamceller og kreft-stamceller bedre overlever behandling I tillegg pumper de ut fargestoffer vi bruker i laboratoriet
Kreft-stamceller isoleres ved farge-eksluderings eksluderings assay Kreft-stamceller pumper fargen ut av cellen Fargestoff Flow cytometer Blanding av celle typer Membran-pumpe Bilde fra Eva Wessel Pedersen & Ola Myklebost
Kreft-stamceller kan isoleres ved farge-ekskluderings ekskluderings assay Fluoresens Farge + Inhibitor Fluoresens Kunn Farge Fluoresens Fluoresens Data fra Eva Wessel Pedersen
Isolerte kreft-stamceller kan brukes i eksperimenter, slik at vi kan finne ut mer om hvordan kreft-stamcellene fungerer Forskningen vil ha biologisk og medisinsk betydning
Sammendrag I Stamceller kan produsere både umodne stamceller og forløperceller Stamceller gir opphav til alle spesialiserte celletyper via forløpercellene Denne prosessen kalles differensiering Stamceller kan ha stor medisinsk betydning i fremtiden og det er derfor viktig å forske på stamceller
Sammendrag II Kreft-stamceller ligner normale stam celler (selvfornyelse og differensiering) Kreft-stamceller kan gi opphav til nye svulster Nåtidens kreftbehandling dreper ikke kreft-stamcellene Det er viktig å forske på kreft-stamceller slik at vi kan lage nye behandlinger der vi dreper kreft-stamcellene
Referanser Kapitell 8.8 Cappelen s nye Biologilærebok Kreft-stamceller www.cancerstemcell.no Bioteknologinemda: www.bion.no Entrez Pubmed www.pubmed.gov evaped@rr-research.no