Catherine Verfaillie Leuven, 7 November, 2005

Lessen voor de 21ste Eeuw Stamcellen: therapie voor de toekomst? Catherine Verfaillie Leuven, 7 November, 2005

1

Stamcellen

Definitie Type stamcellen Toepassingen van stamcellen in geneeskunde Ethische en morele vragen omtrent stamcellen Hoe wordt stamceltherapie realiteit

2

Stamcel: definitie

differentiëren

hernieuwen

3

Eckfeldt, Mendenhall, Verfaillie. NATURE REVIEWS | MOLECULAR CELL BIOLOGY, 2005

4

Embryonale stamcel (ES cel) wordt niet oud

Bevruchte eicel Blastocyst placenta

Binnenste celmasa

ES cellijn

5

ES cellen produceren alle cellen van een muis

+ chimere muis

6

Humane ES cellen differentiëren ook in alle(?) celtypes

darm

nier

bot

hersenen

In Vitro Fertilizatie

TERATOMA

7

Differentiatie van humane ES cellen in vitro

8

Enthousiasme omwille van ES cellen

•

Wordt niet oud en differentiëert in alle celtypes

•

Dus: ES cellen kunnen alle ziektes helen?

•

ES cellen als model voor ziekte?

9

Prenatale genetische diagnose + ES cellijnen

8-cell embryo Biopsie van 1 blastomeer (cel)

PCR voor genetische ziekte

Gemuteerd embryo Normaal embryo

Blastocyst cultuur

Implanteren

ES cellijn met genetische ziekte

10

Condities waarvoor prenatale genetische diagnose wordt gebruikt at risk of transmitting X-linked or single gene disorders such as: – Cystic fibrosis – Lesch Nyhan – Tay Sachs – Huntington disease – Myotonic dystrophy – Spinal cerebellar ataxia – Spinal muscular atrophy-1 (SMA-1) – Duchenne muscular dystrophy – VCFS/DiGeorge syndromes – Fanconi anemia-A – SCIDS (autosomal recessive mutation of ADA) – Hemophilia A – RH incompatibility – Human Platelet Antigen (PLA-1)

11

Maar, ook controverse rond ES cellen

•

Teratomas (niet kwaadaardige tumor)

•

Allogeen (van andere persoon)

•

Vernietiging van blastocyst

12

ONBEVRUCHTE EICEL NUCLEUS WORDT VERWIJDERD

GEKLOOND EMBRYO

NUCLEUS TRANSFER

HUIDCEL

ES CELLIJN BLASTOCYST

KLONEN VOOR REPRODUKTIE

BEEN-CEL

NEURALE CELLEN LEVERCEL

“AUTOLOGE” STAMCEL THERAPIE ZIEKTE MODEL

13

Wetenschappelijke redenen tegen reproductief klonen

•

Hoog aantal abnormale embryos

•

Heel weinig levende geboortes

•

Medische problemen met gekloonde dieren

14

Morele redenen tegen reproductief klonen

“copycat”

15

“Volwassen” stamcel

hersenen

Hersencellen hart

Hartspier beenmerg

Bloed

16

Beenmerg stamcellen zijn ook meer potent?

Skeletale spier

Cardiale spier

HSC Beenmerg

Bloed + Neuronen / glia

Levercellen

17

Isolatie van “pluripotente” stamcellen uit beenmerg kweken

•

2002 – Toma: Skin derived progenitor (SKP) (Nature Cell Biol) – Jiang: Multipotent adult progenitor cell (MAPC) (Nature)

•

2004 – D’Ipolitti: Marrow-isolated adult multilineage inducible (MIAMI) cell (J Cell Science) – Kogler: Unrestricted somatic stem cell (USSC) (J Exp Med)

•

2005 – Yoon: BM-derived multipotent stem cell (BMSCs) (J Clin Invest) – Bonnet: Flk1/SSEA1/Oct4+ MSC (Personal communication) – Von Laere: MAPCs (Personal communication)

18

Oops!

All the inventions that the world contains, were not by reason first found out, nor brains but pass for theirs who had the luck to light upon them by mistake or oversight Samuel Butler

19

Multipotente Adulte Progenitor Cel (MAPcel) ondergaat geen senescence (oud worden)

Mens Aap Varken Muis Rat

1038 1036 1034 1032 1030 1028 1026 1024 1022 1020 1018 1016 1014 1012 1010 108 106 104 102 100

Hayflick fenomeen Kritische telomeerverkorting

0

100

200

300

Dagen in kweek

Reyes et al, Blood 2001; Jiang et al, Nature 2001

20

BOTCEL

CaPo4 KRAAKBEENCEL

Collagen II SKELETSPIER

MAPcel

Sk Myosin GLADDE SPIER

Sm Myosin Reyes et al, Blood 2001; Jiang et al, Nature 2001

21

BOTCEL

CaPo4 KRAAKBEENCEL


MAPcel


Sm Myosin

ENDOTHEELCEL

Bloedcel: NEEN BLOEDCEL

vWF Reyes et al, Blood 2001; Jiang et al, Nature 2001

22

BOTCEL

CaPo4

NEURON

GABA/TH

KRAAKBEENCEL


MAPcel


Sm Myosin

ENDOTHEELCEL

BLOEDCEL


23

BOTCEL

CaPo4

NEURON

GABA/TH

KRAAKBEENCEL

INSULIN+ CEL

PDX1 TRITC LEVERCEL

Collagen II

Alb/HNF1

SKELETSPIER

MAPcel


Sm Myosin

ENDOTHEELCEL

BLOEDCEL


24

BOTCEL

CaPo4

NEURON

GABA/TH

KRAAKBEENCEL

INSULIN+ CEL

PDX1 TRITC LEVERCEL

Collagen II

Alb/HNF1

SKELETSPIER

MAPcel HARTSPIER: NEEN Sk Myosin GLADDE SPIER

Sm Myosin

ENDOTHEELCEL

BLOEDCEL


25

Enthousiasme omwille van volwassen stamcellen • • • •

Sommige worden ook niet oud en differentiëren in vele celtypes Dus: volwassen stamcellen kunnen vele ziektes genezen? Kan misschien autoloog Geen ethische bezwaren

26

Hoe kan dit?

Tegen dogma van ontwikkelingsbiologie!

27

Mogelijke verklaringen: Multipele stamcellen

Celfusie

Bloed cel

Trans-/dedifferentiatie

Pluripotentie

ES cel Lever Hart Spier Purkinje

Spier HSC

Tetraploide cel

28

Enthousiasme omwille van volwassen stamcellen • • • •

Sommige worden ook niet oud en differentiëren in vele celtypes Dus: volwassen stamcellen kunnen vele ziektes genezen? Kan misschien autoloog Geen ethische bezwaren

Maar, … •

Onderzoek naar pluripotente volwassen stamcellen in kinderschoenen, en veel nog niet geweten!

Niet duidelijk dat volwassen stamcellen even potent zijn als embryonale stamcellen! 29

ES cellen Volwassen stamcellen

– Welke groeifactoren, welke genen?

- Celtherapie

– Nieuwe medicaties? – Toxiciteit screening?

30

Bloed stamceltransplantatie

Radiotherapie Chemotherapie

Rode bloedcel Lymfociet Bloed plaatje Witte bloedcel

31

Navelstrengbloed bevat heel potente bloedstamcellen, maar, er zijn er te weinig om een volwassene te behandelen

VRAAG: Kunnen we die expanderen in het labo en dan gebruiken om een volwassene te transplanteren?

32

Navelstrengbloed

Stamcel vs. Progenitorcel

??? HET bloed stamcel gen

Eckfedt, Mendenhal, et al, PLoS Biology 2005

33

Navelstrengbloed

Stamcel vs. Progenitor cel

>40,000 genen


Gen naam AAA BBB CCC DDD EEE FFF GGG HHH III JJJ KKK LLL MMM NNN OOO PPP QQQ RRR SSS TTT UUU VVV WWW AAA BBB CCC DDD EEE FFF GGG HHH III …

fold higher 2.0 2.2 2.2 2.3 2.3 2.3 2.4 2.4 2.5 2.6 2.8 2.8 2.9 3.0 3.2 3.3 3.5 3.5 3.8 3.9 4.2 5.1 7.3 2.0 2.2 2.2 2.3 2.3 2.3 2.4 2.4 2.5

>200 genen

34

Navelstrengbloed

Stamcel vs. Progenitor cel HET bloed stamcel gen

>40,000 genen


Gen naam AAA BBB CCC DDD EEE FFF GGG HHH III JJJ KKK LLL MMM NNN OOO PPP QQQ RRR SSS TTT UUU VVV WWW AAA BBB CCC DDD EEE FFF GGG HHH III …

fold higher 2.0 2.2 2.2 2.3 2.3 2.3 2.4 2.4 2.5 2.6 2.8 2.8 2.9 3.0 3.2 3.3 3.5 3.5 3.8 3.9 4.2 5.1 7.3 2.0 2.2 2.2 2.3 2.3 2.3 2.4 2.4 2.5

>200 genen

~20 genen

35

Combineer sequencering van humaan genoom en stamcel technology om nieuwe groeifactoren te identificeren

• Functional genomics/proteomics – Identificatie van kandidaat genen en proteinen die verantwoordelijk zijn voor hernieuwing en differentiatie

• Functie van genen valideren – Modelorganisme (vis, kikker, …) – Gevolgd door testen in ES cel, MAPcel

36

ES cellen Volwassen stamcellen

– Welke groeifactoren, welke genen?

- Celtherapie

– Nieuwe medicaties? – Toxiciteit screening?

37

Aderverkalking

Diabetes Hoog cholesterol Hartinfarct Voetgangreen Hersenbloeding Ballon angioplastie Overbrugging ???

38

Laflamme and Murry, Nat Biotech, 2005

39

Kunnen beenmergstamcellen gebruikt worden om hartinfarct te behandelen?

Orlic D et al Nature 2001

40

Muizen beenmerg differentiëert in hartspier, en dit verbetert de ejectiefractie (pompfunctie) van het hart

Groene hartspier, endotheelcellen en gladde spiercellen Orlic D et al Nature 2001

41

Acute MI Study

Design

n

Cell type

Delivery method

Results

Strauer

Series

10

BM MNCs

Intracoronary

Feasible

TOPCARE

Series, historical control

28

BM MNCs, cultured circulating EPCs

Intracoronary

Improved EF and perfusion

Chen

RCT, open label

69

BM mesenchymal cells

Intracoronary

Improved EF and perfusion

BOOST

RCT, open label

60

BM MNCs

Intracoronary

Improved EF

Kang

RCT, open label

27

Peripheral G-CSFstimulated leukocytes

Intracoronary

Improved EF, ↑ restenosis

Janssens

RCT, double blind

~70

BM MNCs

Intracoronary

REPAIR-AMI

RCT, double blind

200

BM MNCs

Intracoronary

Ongoing

BM=bone marrow; MNC= mononuclear cell; IC= intracoronary; EPC= endothelial progenitor cell; G-CSF= granulocyte colony stimulating factor; EF= left ventricular ejection fraction;

42

AMI: Gerandomisserde dubbel blind studie (Prof Stefan Janssens, K U Leuven)

Cumulative ST-segment ↑ ≥ 6 mm Time after symptom onset > 2h Successful reperfusion post PCI + documented LV dysfunction • • • •

Informed consent Acetate-PET scan TTE Bone marrow aspiration + randomization

24 hours

Beenmergstamcellen of placebo in coronairen

In-hospital monitoring (7 d)

-

Rhythm monitoring cine MRI - LE Stress Echo / TDI

Follow-up (4 mo) -

Acetate-PET scan cine MRI - LE Stress Echo / TDI

43

Beenmerg afname (S Janssens, K U Leuven)

•

Volume: 130±22 mL (iliac crest - locale anaesthesie)

• • •

Volume na Ficoll : 10 mL, Totale celnummer: 304 x 106 (128 x 106) FACS analyse mononucleaire cellen: – – – – – –

CD34+: CD133+: CD90+/Thy-1: CD105+/endoglin: CD117+/c-kit: CD73+:

2.8 x 106 (1.7 x 106) 2.0 x 106 (1.3 x 106) 0.2 x 106 (0.15 x 106) 2.5 x 106 (2.0 x 106) 7.0 x 106 (3.9 x 106) 32 x 106 (20 x 106)

44

45

Hoe beïnvloeden beenmergcellen het hart?

Maken nieuwe bloedvaten

Maken nieuwe hartspiercellen

Trophisch effect = productie (groei)factoren Recruteren van cellen Verhinderen dat cellen afsterven

46

Stamcellen om beroerte te behandelen? W. Low, LR Zhao, X. Ortiz, D. Keene, M. Reyes

Transplantatie

GFP labelen Expansie

MAPCs

Isolatie Beenmerg

Zhao et al, Exp Neurol, 2002

47

Limb Placement Test W. Low, LR Zhao, X. Ortiz, D. Keene, M. Reyes

Normaal dier

Dier met beroerte

48

Humane MAPcellen corrigeren verlamming grotendeels, zonder dat neuronen gevormd worden

Limb Placement Score

W. Low, LR Zhao, X. Ortiz, D. Keene, M. Reyes

18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

* *

Cx

Sham Voor transplant

Saline

CyA

2 weken nadien

MAPC 6 weken nadien Zhao et al, Exp Neurol, 2002

49

Hoe beïnvloeden MAPcellen herseninfarct?

MAPcel


Maken nieuwe neuronen en glia


50

Stamcellen om gangreen te voorkomen? A Luttun, J Ross, W Chen, J Hall

1 2

1 2

51


1 2

1 2 Countercurrent zwembad

52

Zwem test

1 2 3 4 5

sham sham sham sham sham

baseline (sec) 984 1389 1032 617 862

1 2 3 4 5

ligatie Ligatie ligatie ligatie ligatie

615 649 1246 1026 7616

test (sec) 1331 1371 1049 715 1150

% 100.0 98.7 101.6 100.0 100.0

62 82 333 105 720

10.1 12.6 26.7 10.2 9.5

mean

100.1

13.8

P<0.01

53


1 2

1 2 MAPcel

54

MAPcel injectie verbeter zwemkapaciteit significant A Luttun, J Ross, W Chen, J Hall

70% 60% 50% 40% 30% 20%

P <0.01

10% 0%

P = NS

PBS

undiff MAPC

BMMNC

day 9 55

Verbetering in zwemkapaciteit mogelijks door de productie van arteries en nieuwe spiercellen

Vene

Spier

Arterie

Bruin gekleurde cellen = MAPCel dochtercel

56

Hoe beïnvloeden beenmergcellen perifere ischemie?

MAPcel


Maken nieuwe skeletale spiercellen


57

Hart stamcel

Bloed stamcel

MAPcel MSC

Embryonale stamcel

Hersen stamcel

58

Kunnen we een arterie bouwen? Jeff Ross, Bob Tranquillo

Adventitia Bindweefsel

Vasculaire gladde spiercel Media Intima

Arteriële endotheelcel

59

Bioartificiële Arteries? Jeff Ross, Bob Tranquillo

MAPC-gladde spiercel + fibrine in holle buis, rond mandrel

Cellen breken fibrine af, maken elastine rond de nonadhesive mandrel

Contractie van de structuur in korte tube met elasticiteit

Burst pressure = ~300 mm kwik

60

Morele vragen rond stamcel onderzoek

1.

Morele status van de blastocyst

2.

Verlenging van leven vs. kwaliteit van leven?

3.

Impact op maatschappelijk leven?

4.

Stamcel therapie voor iedereen?

5.

Dure behandelingen voor “luxe” ziektes moreel verantwoord?

61


1.

Is creëren en gebruik van ES cellen immoreel? Of, wat is de morele status van de blastocyst

62

Is creëren en gebruik van ES cellen immoreel

• Afhankelijk van religie, morele status van blastocyst (vroege embryo) is ergens tussen “weefsel” en “mens” • Wettigt het doel (genezen van ziekte) de middelen (blastocyst vernietigen) ? • Onderscheid tussen embryo’s gecreëerd voor in vitro fertilizatie en embryos gecreëerd voor wetenschappelijk onderzoek?

63

Vraag: Aangezien volwassen stamcellen pluripotent zijn, waarom is onderzoek op ES cellen nog nodig?

Veel te vroeg om te beslissen welke cel (ES vs. MAP cel) de beste cel is voor behandeling van genetische of verworven ziektes Mogelijk, indien niet waarschijnlijk, dat ES cellen beter zijn om sommige ziektes te behandelen en dat MAPcellen beter zullen zijn voor andere ziektes

64


1.


2.

Stamcellen zullen leven verlengen?

65

66

Science is desirable not only for the invention of an infinity of artifices, which would enable us to enjoy - without pain - the fruits of the earth, but also, and principally, for the conservation of health, which is without doubt the primary good and the foundation of all other goods in life…. R. Descartes (Discours de la Méthode, 1637)

… Many die too late, and a few die too early. “Die at the right time”. … F. Nietzsche, Alzo Sprach Zaratoustra

67


1.

Morele status van de blastocyst?

2.

Stamcellen zullen het leven verlengen?

3.


68

leeftijd verhouding in bevolking


40 30 20

S3 >75

10 0

S2 25-75

1900 1

1975 2

2050? 3

S1 0-25

jaren

69


• Minder kinderen? • Minder innovatie in werk? • Wat met pensioen leeftijd, vergoeding? • Wat met ziekteverzekering?

70


1.

Morele status van blastocyst

2.


3.


4.


71


• Kost – Autologe therapie niet financieel haalbaar – Allogene therapie nog > tienduizenden Euro’s/behandeling

• Nood voor stamcel banken – Wie betaalt? – Hoe groot, hoeveel HLA-types? – Indien limiet, welke HLA types?

72


1.


2.


3.


4.


5.

Correct om gelden te investeren in het creëren van dure behandelingen voor “luxe” ziektes en dan minder in het behandelingen voor bvb. infectieziektes die grootste deel van de wereldbevolking aantasten?

73

Hoe wordt het realiteit?

74

Heel wat werk voor de boeg!!!

√ Welke cel • Embryonaal vs. volwassen? • Gedifferentieerd of niet?

√ Proeven op kleine dieren √ Proeven op grote dieren √ Grootschalige productie √ Fase 1 klinische testen

75

Wanneer realiteit?

#1

#2

Genetische ziektes

Diabetes Ischemie been Beroerte Hartinfarct Parkinson

Bloedziektes Arthritis Botontkalking

#3 ... Ruggemergletsel Leverziekte Alzheimer??

Hartinfarct? Niewe medicaties Inzicht in ziektebeeld

76

GMPGMP-productie faciliteit

Basis

Preklinisch

Klinische (Phase I/II)

HSC Delforge, Boogaerts, Verfaillie

Cardiaal Janssen

Vasculair Janssen (Luttun, Carmeliet)

Neurologisch Robberecht

Skeletaal Luyten

Diabetes Mathieu

MAPC / ESC biologie Verfaillie +? Immunologie Van Gool, Billiau, Waer Beeldvorming Mortelmans, Van Laere, Debyser, Baekelandt, Marchal

77

78

79

80

SCI + SCIL

81

Who did the work • •

Middelbare school: Evan Cobb, Nicole Ali, Ricky Jones, Sophie Rapaport, Sam Bjork Licentie studenten: Sarah Aldrich, Zach Kastenberg, Eric Rarhman, Aaron Lisberg, Jil Webber,

Alred, Jennifer Gravel, Ben Wildenbring

Jeremy

•

Doctorandi: Morayma Reyes, Eugene Liu, Craig Eckfeldt, Rob Schwartz, Eric Mendenhall, Lucas Chase, Sarah

• •

Medische studenten: Dave Deyle, Sjoban Keel, Troy Lund, Zubaid Rafique, Raul Munoz Post-docs: Balkrishna Jahaghirdir, Huilin Qi, Dean Aguiar, Kazu Sudo, Aernout Luttun, Yves Heremans,

•

Laboranten: Marc Blackstad, Todd Lenvik, Kathy Boland, Jingbo Du, Paul Marker, Molly Holte, Laura Lien,

•

Collaboraties (Minnesota): John Wagner, Walter Low, Bruce Blazar, Wei-Shu Hu, David Largaespada,

•

Collaboraties (niet in Minnesota): Yukari Muguruma, Felipe Prosper, Austin Smith, Hiro Yamanaka, Irv

•

Collaboraties (Leuven): Marc Boogaerts, Michel Delforge, Marc Waer, An Billiau, Stefan Janssens,

Frommer, Terry Burns, Fernando Ulloa, Ben Kidder, Shannon Buckley, Scott Dylla, Peter Jans

Avinash Jayashwal,

Miguel Barajas, Karen Pauwelijn, Behnan Sahin, Uma Lakshmipathy, Nathan Kreykes, Beatriz Pelacho, Rik Snoeckx, Kris Van Den Bogaert, Stephanie Salesse, Mo Dao, Mojca Jongen, Anskar Leung, Koen Theunissen,Catherine Flynn, Ravi Bhatia, Pankaj Gupta, Carlos Clavel, April Breyers, Nihma Estheban

Tranquillo, Wei Chen, Jennifer Hall, Robert Miller, Tim O’Brien, Jay Zhang, Electra Coucovanis, Sue Keirstadt, Nobuaki Kikyo, Yasushi Nakagawa, Xin Wang, Dan Kaufman, Meri Firpo, Yuehua Jiang,

Bob

Weissman, Sanjeev Gupta, Markus Grompe, Jon Odorico, Dorothee Von Laere Joel Vandekerkhove, Jeff Pinxteren, Danny Pipeleers, Harry Heimberg, Vera Rogiers, Zwi Berneman, Peter Ponsaerts

Frank Luyten, Chantal Mathieu, Luc Mortelmans, Zeger Debyser, Koen Van Laere, Veerle Baekelandt, Guy Marchal, Wim Robberecht, Thierry Vandendriessche, Marinee Chuah, Peter Carmeliet, Mieke Dewerchin, …

82

Catherine Verfaillie Leuven, 7 November, 2005

Recommend Documents