IPS-cellen: stamcellen van eigen kweek

Uit stamcellen kunnen alle mogelijke lichaamscellen gemaakt worden, en stamceltherapie is dan ook een veelbelovende nieuwe tak van de geneeskunde. Tot voor kort konden stamcellen alleen ‘geoogst’ worden uit embryo’s, maar dat probleem is binnenkort wellicht verholpen. Onderzoekers hebben lichaamscellen immers ‘verjongd’ tot stamcellen.

Als historici over een tijdje de kroniek van de stamceloorlogen schrijven, zal Shinya Yamanaka de geschiedenis ingaan als een vredestichter. De Japanse onderzoeker heeft ertoe bijgedragen dat het ethische debat over het gebruik van embryonale cellen – waarvoor embryo’s gedood moeten worden – een verrassende eindfase is ingegaan. Sinds 2008 staat Yamanaka aan het hoofd van een van de twee onderzoeksteams die aantoonden dat normale menselijke huidcellen genetisch geherprogrammeerd kunnen worden, zodat ze in feite weer stamcellen zijn. Deze ‘geïnduceerde pluripotente stamcellen’ (iPS-cellen) lijken identiek aan embryonale stamcellen en kunnen zich ontwikkelen tot alle soorten cellen.

Yamanaka is met zijn kortgeknipte haar een bijna militaire verschijning. Zijn kantoor in het Instituut voor Grensverleggende Medisch Onderzoek van de Universiteit van Kyoto verraadt niets van zijn bijzondere prestaties. Maar op een dag zal er misschien een Nobelprijs in zijn boekenkast prijken (dat is vandaag, 8 oktober, ook werkelijkheid geworden, red.). 'Tien meter onder ons is een kamer waar ik nog nooit binnen ben geweest,' vertelt Yamanaka. 'Ik mag daar niet komen, omdat ik geen toestemming van de regering heb. In die kamer bevinden zich de enige stamcellen van menselijke embryo’s in heel Japan.' Door de bijzonder strenge regels zijn onderzoekers soms een jaar bezig met aanvragen indienen voor ze toestemming krijgen om ermee te werken.
 

Beperking leidde tot voorsprong
Vreemd genoeg leidde juist die bureaucratische cultuur tot Yamanaka’s  grensverleggende ontdekkingen. De voormalige chirurg uit Osaka trok halfweg de jaren ’90 naar San Francisco om aan het Gladstone-instituut postdoctoraal onderzoek te doen naar de genetische herprogrammering van genen die een rol spelen bij het ontstaan van kanker. Hij vond er een stimulerende omgeving met genoeg geld en contacten met toonaangevende wetenschappers. Bovendien kon hij beschikken over een voorraad embryonale stamcellen. Toen hij naar huis terugkeerde, zakte de moed hem in de schoenen. 'Toen ik weer terug was in Japan,' vertelt Yamanaka, 'was ik al die stimulansen kwijt. Ik beschikte over een krap budget en had maar een paar goede onderzoekers om mij heen. Bovendien moest ik in mijn eentje voor bijna duizend muizen zorgen.'

Hij stond op het punt er de brui aan te geven en weer chirurg te worden. Maar twee dingen gaven hem de energie om door te gaan: de uitnodiging om een klein laboratorium te gaan leiden aan het Nara-instituut en het bericht dat James Thomson de eerste generatie menselijke embryonale stamcellen had gecreëerd.


Tot alles bereid: Een cirkelvormige kolonie iPS-cellen.

Na Thomsons ontdekking begonnen tal van onderzoekers te zoeken naar manieren om de differentiatie van stamcellen tot specifieke celtypes actief te sturen. Als dat zou lukken, zouden ze ziek of beschadigd weefsel kunnen vervangen, een revolutie in de klinische zorg. 'Voor ons kleine laboratorium was dat te hoog gegrepen,' vertelt Yamanaka. 'Dus ik dacht: laat ik het omgekeerde doen. In plaats van embryonale stamcellen te veranderen in iets anders, ga ik iets anders veranderen in embryonale stamcellen.' Door Ian Wilmuts succes bij het klonen van dieren 'wisten we dat zelfs volledig gedifferentieerde cellen kunnen terugkeren tot een embryo-achtige toestand. Maar we dachten dat het een heel langdurig project zou worden' van twintig of dertig jaar.
In werkelijkheid duurde het nog geen tien jaar. Al doende voelde Yamanaka zich steeds sterker gemotiveerd om twee centrale problemen met betrekking tot embryonale stamcellen op te lossen. Toen hij vroege embryo’s onder een microscoop bekeek, raakte hij ontroerd door de aanblik van dat fragiele jonge leven, hoewel hij geen tegenstander is van het gebruik van embryonale cellen om levens te redden. Het tweede probleem is het risico van afstoting door het immuunsysteem van een patiënt wanneer cellen van een embryo worden getransplanteerd. Dat gevaar doet zich niet voor wanneer hij cellen krijgt die zijn gemaakt van zijn eigen iPS-cellen.

Eerst onderzocht Yamanaka hoe de embryonale cellen van muizen hun pluripotentie behouden. Zijn hypothese was dat er in de embryonale cellen van de muizen bepaalde eiwitten voorkwamen die niet in de gedifferentieerde cellen zaten. Verder wilde hij de genen die coderen voor deze eiwitten (transcriptiefactoren) implanteren in de chromosomen van een normale huidcel, die daardoor volgens hem zou veranderen in een embryonale cel.

Vier genen
Na vier jaar experimenteren ontdekte hij 24 factoren die, toegevoegd aan gewone fibroblasten (bindweefselcellen) van muizen, pluripotente cellen maken die vrijwel identiek zijn aan stamcellen. Toen Yamanaka die factoren nader onderzocht, kwam hij tot de conclusie dat ze geen van alle in hun eentje het gewenste effect hadden. Het bleek dat er een combinatie van vier specifieke genen nodig was. In 2006 publiceerde hij in het tijdschrift Cell een baanbrekend artikel waarin hij de identiteit van die vier genen onthulde: Oct3/4, Sox2, c-Myc en Klf4.

Na de publicatie van dat artikel probeerden onderzoekers overal ter wereld het experiment te herhalen, ditmaal met menselijke cellen. In 2007 meldde Yamanaka dat het gelukt was, en op hetzelfde moment boekte ook het team van Thomson succes. Onderzoekers hebben de doorbraak vergeleken met een geslaagde poging om lood in goud te veranderen.

Geïnspireerd door deze prestatie staakten veel onderzoekers hun werk met embryonale stamcellen en richtten hun aandacht op de geïnduceerde variant. Inmiddels zijn Yamanaka en anderen erin geslaagd iPS-cellen te maken uit een breed scala aan weefsels, waaronder lever-, maag- en hersenweefsel. De verkregen cellen hebben ze weten om te zetten in huid-, spier-, darm- en kraakbeencellen, en zelfs in zenuwcellen die de neurotransmitter dopamine kunnen uitscheiden en in hartcellen die ritmisch kunnen kloppen.

Kanker
Toch zal het nog wel even duren voor iPS-cellen gebruikt kunnen worden om patiënten te behandelen, want er zijn nog twee grote problemen op het gebied van de veiligheid. Om te beginnen is de transcriptiefactor c-Myc toevallig ook een krachtig kankergen, en de cellen van Yamanaka’s team hebben de neiging zich te ontwikkelen tot tumorcellen. 'Het maken van iPS-cellen lijkt erg op het veroorzaken van kanker,' legt hij uit. In principe is c-Myc misschien ook niet nodig: Yamanaka en een team onder leiding van Rudolf Jaenisch van het Massachusetts Institute of Technology hebben een manier gevonden om het gebruik van c-Myc te vermijden door de kweekomstandigheden te verbeteren.

Het tweede risico schuilt in het transportmiddel (de zogenoemde ‘vector’) dat wordt gebruikt om de genen in de gewenste cel in te brengen. Dat gebeurt namelijk met retrovirussen. Het resultaat van het proces zijn cellen vol virussen. Bovendien kunnen retrovirussen mutaties veroorzaken die tot kanker leiden. In september 2008 maakte een team van Harvard bekend dat men erin geslaagd was een iPS-cel bij muizen te produceren met een veiliger adenovirus als vector. In oktober meldde het laboratorium van Yamanaka dat het ook was gelukt met plasmiden – cirkelvormige stukjes DNA. Andere mogelijke alternatieven zijn eiwitten en lipiden.

Hoewel de overweldigende belangstelling heeft geleid tot snelle ontwikkelingen en een wedloop tussen de laboratoria, verwachten Yamanaka en andere onderzoekers niet dat de iPS-cellen hun embryonale tegenhangers snel kunnen vervangen. 'We weten nog niet of embryonale stamcellen en iPS-cellen wel voor honderd procent uitwisselbaar zijn,' zegt Konrad Hochedlinger van het Centrum voor Regeneratieve Geneeskunde van Harvard University. 'Op dit moment zijn iPS-cellen een waardevolle aanvullende bron van pluripotente cellen. De tijd zal leren of ze embryonale stamcellen kunnen vervangen.'

Hoewel Yamanaka erop hamert dat de iPS-cellen nog lang niet klaar zijn voor therapeutische doeleinden, blijft hij hoog opgeven van de potentiële toepassingen voor diabetes, ruggenmergletsel, de ziekte van Parkinson en zelfs – zegt hij grinnikend – kaalheid. Ondanks alle opwinding die zijn ontdekking heeft veroorzaakt, probeert de voormalige arts de verwachtingen te temperen. 'Er is nog een hoop fundamenteel onderzoek nodig, vooral naar de veiligheid van iPS-cellen,' herhaalt Yamanaka. 'Het gaat hier niet om de Olympische Spelen, we hebben juist behoefte aan internationale samenwerking. We staan aan het begin van een lang proces.' (Uit: Scientific American (Ned. editie), nr. 1, jan-febr. 2009)