Transplantacja bez dawcy, czyli czy z komórek macierzystych da się wyhodować serce
„Jezu, ono pracuje!” – miał krzyknąć nad rozciętą klatką piersiową zwłok kobiety dr Christiaan Barnard, który nocą z 2 na 3 grudnia 1967 r. w szpitalu Groote Schuur w Kapsztadzie pobierał jej serce do pierwszego przeszczepu w historii. Kiedy już operacje takie, jak ta przeprowadzona przez południowoafrykańskiego kardiochirurga, stały się normą, trzeba było zmierzyć się z rzeczywistością, w której chorych oczekujących na zdrowe naturalne organy jest znacznie więcej niż potencjalnych dawców.
Pojawiła się jednak medycyna regeneracyjna. Idea, że uda się wyhodować w laboratorium – najlepiej z własnych komórek pobranych na wczesnym etapie rozwoju – zestaw narządów, które będą nadawały się do zastąpienia zniszczonych. Taka wizja może się ziścić również w przypadku serca – przekonują media. Ile w tych doniesieniach prawdy?
Pierwsza zapora: synchronizacja
W książce „Serce. Historia naturalna” Bill Schutt, emerytowany profesor biologii z Long Island University i zoolog z American Museum of Natural History, relacjonuje spotkanie z prof. Heraldem Ottem z Harvard Stem Cell Institute, który zaangażowany jest w ambitny projekt hodowli ludzkich serc. Zagaduje go o to, jak za 20 lat będzie postępowała osoba z uszkodzonym sercem. Prof. Ott ma gotowy scenariusz: zgłosi się do kliniki, zrobi jej się biopsję skóry i wyhoduje serce; kiedy choroba pogłębi się do stadium, w którym jej organ staje się niewydolny, wymieni się jeden na drugi.
Miło posłuchać. Zwłaszcza że dwie dekady to niezbyt odległa perspektywa. Mniej więcej tyle czasu minęło od kwietnia 2001 r., kiedy to zespół pod kierunkiem włoskiego badacza Pierro Anversy opublikował w „Nature” pracę pokazującą, że komórki ze szpiku kostnego leczą zawał serca u myszy. – Kardiolodzy byli niecierpliwi i zaczęli masowo podawać pacjentom takie komórki wyizolowane ze szpiku – opowiada prof. Józef Dulak, kierownik Zakładu Biotechnologii Medycznej Wydziału Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego. – A trzy lata później trzy niezależne grupy badaczy jednoznacznie wykazały, że nie dzieje się nic takiego, co próbował pokazywać Anversa. W 2018 r. Harvard University wycofał 31 publikacji jego zespołu, a sąd skazał go za naciąganie wyników badań.
To, do czego przekonywał skompromitowany naukowiec, było jednak wyczekiwaną nowiną przez wielu chorych, których na oddziałach kardiologicznych przybywa w zawrotnym tempie. Ich sfatygowane serca są konsekwencją innych chorób: zawału, ukrytej wady, chorób naczyń wieńcowych lub nadciśnienia tętniczego. Medycyna odnotowuje niebywały postęp w leczeniu stanów ostrych, ale po wielu latach leczenia u pacjentów dochodzi do upośledzenia funkcji wyrzutowej mięśnia sercowego i niewydolności. Efektem są duszność, obrzęki i szybkie męczenie się. Właśnie dla nich przeszczep komórek macierzystych wprost do mięśnia sercowego lub naczyń wieńcowych byłby doskonałym rozwiązaniem.
– Przeszkodą w urzeczywistnieniu tego pomysłu może być mądrość natury, którą chcielibyśmy naśladować – przyznaje Anna Sarnowska, profesor Instytutu Medycyny Doświadczalnej i Klinicznej PAN w Warszawie, która kieruje Platformą Translacyjną Medycyny Regeneracyjnej. Chodzi o to, że nie wystarczy podać do serca komórki, które przekształcą się we włókna mięśnia sercowego. – 10 lat temu wydawało się, że uzyskując ich wzrost w laboratoryjnej hodowli i obserwując, jak kurczą się, imitując naturalne kardiomiocyty, osiągniemy cel. Tymczasem trzeba je jeszcze w nowym narządzie w odpowiednich miejscach zasiedlić i zsynchronizować z pozostałymi komórkami gospodarza.
A tych jest wiele innych rodzajów: fibroblasty, perycyty, adipocyty, komórki śródbłonka. Poza tym wyhodowane na szalkach komórki nie są w pełni funkcjonalne. W odróżnieniu od skóry, chrząstek i kości – gdzie medycyna regeneracyjna przynosi już pewne efekty – mięsień sercowy musi się rytmicznie kurczyć. – Trzeba więc mieć specjalne podłoże, które będzie stymulować elektrycznie komórki do takich skurczów. I jeszcze kontrolować ich częstość, bo muszą być dostosowane do gospodarza, któremu je wszczepimy – wyjaśnia prof. Sarnowska. – Nie może mieć przecież arytmii.
Druga zapora: pochodzenie
Nie oznacza to, że poza Pierro Anversą inni nie podejmują takich wyzwań. Wspomniany prof. Ott wytwarza na rusztowaniu z kolagenu, pochodzącego z serca świni (odpowiednio zmodyfikowanego, by nie wzbudzał reakcji odrzutu), nowe populacje komórek. Tworzą one na razie niewielkie fragmenty serca, ale już kurczą się po zastosowaniu odpowiednich bodźców. „Na razie utknął na tym właśnie etapie” – pisze Bill Schutt.
Nowe komórki powstają z fibroblastów pobranych z ludzkiej skóry i genetycznie przekształconych w tzw. pluripotencjalne komórki macierzyste. Mają one zdolność różnicowania się w dowolny typ komórek występujących w ludzkim organizmie (Nobla za odkrycie takiej możliwości otrzymali w 2012 r. John Gurdon i Shin’ya Yamanaka). Fibroblasty nie tylko są najczęściej spotykanym rodzajem komórek w tkance łącznej i powłoce skórnej, skąd łatwo je pobierać, ale współistnieją też z komórkami mięśnia sercowego. Nie są więc obcym dla organizmu tworem biologicznym, który mógłby stać się celem ataku dla komórek odpornościowych.
Prof. Sarnowska zna prace innej grupy badawczej z Harvardu, która też odniosła sukces w osadzaniu dwóch rodzajów komórek – endotelialnych i kardiomiocytów – na specjalnych włóknach, wyposażonych w nanoelektryczne czujniki: – Zostały zaprojektowane do rozciągania i poruszania się wraz z rosnącą tkanką. Dzięki nim można monitorować aktywność elektryczną wszczepionych komórek i dopasować do częstotliwości otaczającej tkanki.
Z kolei naukowcy z Uniwersytetu w Tel Awiwie wykonali kolagenowy szkielet przyszłego serca z białek wyizolowanych z ludzkiej otrzewnej. – Wykorzystali do tego bioprinting 3D. Tworzyli ten model warstwa po warstwie, wraz z naczyniami krwionośnymi – mówi badaczka z PAN. – W ten sposób miał on gotową macierz dostosowaną anatomicznie, biochemicznie i komórkowo do potencjalnego biorcy, tkankę mięśnia sercowego utworzoną przez dojrzałe kardiomiocyty oraz funkcjonalne naczynia. Badania były jednak przeprowadzone na modelu wielkości serca królika.
Prof. Dulak przytacza kolejne przykłady: – W Japonii i Niemczech podano już pacjentom kardiomiocyty do uszkodzonego serca po zawale. Mój zespół również je podaje, ale u myszy, zastępując nimi komórki, które zginęły w wyniku zawału. Taka strategia ma uzasadnienie, ale daleko jej do zastosowań na większą skalę.
Najważniejsze jest źródło użytych kardiomiocytów. – Nasze badania pokazały, że komórki z tkanki tłuszczowej, błędnie nazywane macierzystymi, nie poprawią funkcji serca po zawale – twierdzi prof. Dulak. To muszą być kardiomiocyty uzyskane w odpowiedni sposób: – Poprzez różnicowanie komórek macierzystych pluripotencjalnych – albo zarodkowych, albo tzw. indukowanych, w skrócie nazywanych iPSC, których my właśnie używamy.
Trzecia zapora: wycinkowa wiedza
Te nazwy mają ogromne znaczenie, bo nawet w publikacjach naukowych opisujących wyniki badań z zakresu medycyny regeneracyjnej autorzy uciekają się nieraz do uogólnień, aby wzbudzić zainteresowanie efektami swoich pomysłów. Ale specjaliści patrzą na te wyniki krytyczniej. – Główny grzech polega na wrzucaniu wszystkich tzw. mezenchymalnych komórek macierzystych, z różnych narządów i pełniących różne funkcje, do jednego worka – ostrzega prof. Dulak. – A to jest jedna z głównych przyczyn nieporozumień. Mezenchymalne komórki macierzyste, w skrócie MSC, na dobrą sprawę są terminem błędnym, mylącym, lepiej by było w ogóle go nie stosować.
Prof. Anna Sarnowska jest mniej radykalna. Choć również jej zdaniem przy definiowaniu komórek macierzystych należy zachować dużą precyzję – tylko w ten sposób można bowiem ocenić wartość prowadzonych eksperymentów: – Dlatego International Society for Cell and Gene Therapy zaleca, aby ich autorzy zawsze dzielili się informacjami: skąd komórki macierzyste zostały wyizolowane, czy mają zdolność do samoodtwarzania, jakie posiadają receptory oraz jak się różnicują w warunkach in vitro i in vivo. Dopiero na podstawie tych informacji można powiedzieć, na jakim te komórki są etapie rozwoju.
Przykład takiego braku precyzji pochodzi z końca lutego tego roku. Naukowcy z Heart Institute w Teksasie poinformowali, że u kilkuset pacjentów z 51 szpitali, którym wstrzyknięto 150 mln komórek macierzystych, nastąpiło wzmocnienie lewej komory serca i uległa ona regeneracji. Ale nie były to, jak skrótowo opisywały media, mezenchymalne komórki macierzyste, lecz progenitorowe (czyli na wczesnym etapie rozwoju, z których tworzą się kolejne klony), pobrane ze szpiku kostnego trzech zdrowych dawców.
– Dla mnie informacja w tej publikacji jest zbyt skąpa, by ocenić wartość tego sukcesu – pointuje prof. Dulak. – Na jakiej podstawie określono je jako progenitorowe? Jakich komórek? Zwracam też uwagę, że chorzy z grupy kontrolnej nie byli poddawani takim – w istocie inwazyjnym – nakłuciom, które mogą lokalnie powodować stan zapalny. A wiemy, że podanie myszom żywych lub martwych komórek ze szpiku powoduje przejściowy stan zapalny i to on poprawia na jakiś czas funkcje ich serca. Może tu było podobnie?
Prof. Sarnowska dodaje: – Nie udowodniono, że udało się zregenerować mięsień sercowy ani że to sposób na leczenie niewydolności. Z drugiej strony wykazano jednak, że wskutek podań komórek zmniejszyła się statystycznie liczba następstw niewydolności serca: zawałów aż o 67 proc. i udarów o 56 proc. Serc więc nie naprawiono, jednak w jakimś sensie udało się polepszyć ich funkcjonowanie.
Ile jeszcze będziemy czekać na przełom? – Patrzę w przyszłość z dużą nadzieją, ale to dopiero początek drogi – zaznacza prof. Sarnowska. Jej zdaniem do celu uda się dotrzeć tylko multidyscyplinarnym zespołom biologów, inżynierów, elektrofizjologów, specjalistów od bioprintingu i kardiochirurgów, a nie pojedynczym badaczom. Natura wysoko zawiesiła poprzeczkę. n