Indusoitujen pluripotenttien (iPS) (in Englanti indusoitujen pluripotenttien kantasolujen tai iPS tai iPSCs) on kantasolut pluripotenttien syntyy laboratoriossa somaattisten solujen . Näillä indusoiduilla kantasoluilla on mahdollisuus erilaistua mihin tahansa ihmiskehon soluun, ja siksi niillä on laaja valikoima sovelluksia terapiassa ja biolääketieteellisessä tutkimuksessa. Niitä pidetään yhtenä merkittävimmistä biotekniikan edistysaskeleista, koska ne mahdollistavat vaihtoehdon ihmisen alkion kantasolujen käytölle , mikä tekee mahdolliseksi voittaa niihin liittyvät eettiset ongelmat.
2000-luvulle asti tutkimuksessa käytetyt ihmisen pluripotentit kantasolut olivat alkion alkuperää. Alkion kantasolujen monista mahdollisista sovelluksista huolimatta niiden käyttö herättää eettisiä kysymyksiä, koska niiden saaminen riippuu ihmisalkioiden tuhoamisesta. Lisäksi regeneratiivisessa lääketieteessä potilaiden alkion kantasolujen siirto aiheuttaa hylkimisriskin johtuen luovuttajan ja vastaanottajan välisestä immunologisesta yhteensopimattomuudesta.
Näiden rajoitusten kiertämiseksi tutkija Shinya Yamanaka ja hänen tiiminsä ehdottivat vuonna 2006, että erilaistunut solu on mahdollista muuntaa pluripotentiksi kantasoluksi aktivoimalla uudelleen pluripotenssiin liittyvien geenien ilmentyminen . Virustekijöiden kautta nämä tutkijat toivat hiiren fibroblasteihin neljä transkriptiotekijää, joita kutsutaan Yamanaka-tekijöiksi, ilmaistuna alkion kantasoluissa, Oct3 / 4 , Sox2 , KLF4 ja c-Myc . He osoittivat, että näiden transkriptiotekijöiden käyttöönotto aiheuttaa solujen erilaistumisen kohti alkion vaiheelle ominaista pluripotenttia tilaa: "indusoitu" pluripotenssi löydettiin. Itse asiassa tällä prosessilla solut saavat alkion kantasolujen perusominaisuudet, jotka ovat pluripotenssi ja itsensä uudistuminen. Vuonna 2007 nämä tutkijat toistivat saman prosessin käyttämällä esitystä aikuisten ihmissolujen avulla. Tätä löytöä varten Shinya Yamanakalle myönnettiin Nobelin lääkepalkinto vuonna 2012 .
Indusoitu pluripotenssi koostuu siis erilaistuneen solun "uudelleenohjelmoimisesta" kantasoluksi aktivoimalla uudelleen alkion vaiheeseen (pluripotentti vaihe) liittyvien geenien ilmentyminen. Tätä varten alkion kantasoluissa, Oct3 / 4, Sox2, KLF4 ja c-Myc, on 4 transkriptiotekijän, nimeltään Yamanaka-tekijöiden, yhdistelmä aikuisten soluihin, mikä aiheuttaa solujen erikoistumiseen liittyvien geenien tukahduttamisen; tätä kutsutaan sitten " solujen erilaistumiseksi ". Tämän mekanismin yksinkertaisuus yllätti monia biologiayhteisössä. Myöhempi työ on osoittanut, että monenlaisia ihmissoluja voidaan ohjelmoida uudelleen pluripotentteiksi kantasoluiksi, mukaan lukien ihosolut ja verisolut (T-lymfosyytit ja erytroidiset kantasolut).
Alkuperäisessä protokollassa Yamanaka-tekijät tuotiin soluihin uudelleenohjelmoitaviksi integroivien retrovirusvirusvektoreiden kautta. Sitten jotkut käyttivät integroivia lentiviruksia. Näiden lähestymistapojen haittana oli kohdesolujen DNA: n modifiointi, mikä on mahdollisesti karsinogeeninen vaikutus. Siitä lähtien muita ohjelmia on käytetty ekspressoimaan geenikoketta uudelleenohjelmoitavissa soluissa. Siten on mahdollista käyttää esimerkiksi muita virusvektoreita, kuten adenoviruksia, mutta myös tekniikoita, joissa ei käytetä viruksia, kuten pluripotenssitekijöitä koodaavan mRNA : n yksinkertainen injektio . Nämä parannukset estävät uudelleenohjelmoivien geenien sijoittamisen kohdesolun genomiin ja niiden ilmentymisen keston paremman hallinnan. Todellakin, syöpä onkogeeniselle alueelle voi johtaa syöpäsolujen kehittymiseen. Tutkimuslaboratorioissa RNA-virusvektorin (Sendai) käyttö, joka tuhoaa itsensä tietyllä lämpötilakynnyksellä, on nyt eniten käytetty tekniikka uudelleenohjelmoinnissa. Terapeuttisia sovelluksia varten uudelleenohjelmointi on edullista Yamanaka-tekijöitä koodaavien plasmidien kautta.
Tämä tekniikka mahdollistaa kantasolujen "à la carte" valmistamisen regeneratiiviselle lääketieteelle. Yksi ensimmäisistä todisteista on todettu Parkinsonin taudista . Tutkijat siirtivät onnistuneesti iPSC: t Parkinsonin taudin eläinmallin aivoihin ja osoittivat, että nämä solut erilaistuivat dopaminergisiksi neuroneiksi, ja eläimen taudin oireet paranivat. Samoin selkäydinvamman hiirimalleilla tehty tutkimus osoittaa, että ihmisen iPSC-elinsiirto stimuloi hermosolujen uudistumista ja parantaa liikkumista. Ihmisen iPSC: n siirtäminen akuutin infarktin läpikäyneiden hiirten sydänlihakseen johtaa merkittävään parannukseen sydämen toiminnoissa jälkimmäisessä johtuen iPSC: n erilaistumisesta sydänsoluihin.
Toinen mielenkiintoinen iPSC: n sovellus on geneettisten sairauksien hoidossa. Esimerkiksi käyttämällä hiiriä, joissa sirppisolusairaus oli aiheuttanut, tutkijat tuottivat iPSC: itä, joissa he korjaivat geneettisen vian. Nämä hematopoieettisiksi kantasoluiksi (verisolujen prekursorisoluiksi) erilaistuneet solut tuotiin uudelleen sirppisoluhiiriin, mikä johti oireiden huomattavaan paranemiseen jälkimmäisissä.
IPSC: itä voidaan käyttää myös osana henkilökohtaista lääketiedettä. Esimerkiksi olisi mahdollista tuottaa maksa- tai munuaissoluja, joita käytetään toksikologisiin analyyseihin eri lääkkeillä sen määrittämiseksi, mikä niistä on siedettävin kullekin potilaalle, mikä antaa lääkärille mahdollisuuden tehdä paras valinta tietyn patologian hoitoon käytettävissä olevien lääkkeiden valikoima. Degeneratiivisten ja geneettisten poikkeavuuksien yhteydessä iPSC: itä voidaan käyttää tuottamaan soluja, jotka toistavat tautia in vitro, mikä helpottaa taudin tutkimista ja farmakologisten testien suorittamista, jotta saadaan aikaan kullekin potilaalle paras mukautettu hoitoprotokolla. .
Tiimi RIKEN johti tutkija Masayo Takahashi suoritti12. syyskuuta 2014verkkokalvosolusiirto 70-vuotiaalla potilaalla, jolla on ikään liittyvä makuladegeneraatio (AMD), maailman ensimmäisessä kliinisessä tutkimuksessa, jossa käytettiin iPSC: itä. Interventio koostui ohuen verkkokalvosolujen kalvon implantoinnista, joka oli kehitetty tämän japanilaisen naisen käsivarren aikuisten ihosoluista.
Indusoidut pluripotentit kantasolut ovat kätevä vaihtoehtoinen ihmisen solulähde biolääketieteelliseen tutkimukseen. Potilaiden yksinkertaisesta ihobiopsiasta tutkijat voivat helposti hankkia nämä iPSC: t. He voivat siten viljellä ja tutkia erilaisia solutyyppejä. Näillä soluilla on sama DNA kuin potilaalla, mikä mahdollistaa lisääntymisen viljelmässä geneettisiin mutaatioihin tai muutoksiin liittyvissä patologioissa. Tämä antaa mahdollisuuden tutkia geneettisiä sairauksia, mutta myös monimutkaisempien patologioiden, kuten autismispektrihäiriöiden tai skitsofrenian, geneettistä osaa .
Genetiikan viimeaikaisen kehityksen, erityisesti CRISPR-CAS9-järjestelmän, myötä on myös mahdollista muokata terveiden potilaiden iPSC: itä indusoimaan ja tutkimaan annettujen genomisten muutosten fenotyyppiä.
IPSC: t voivat teoriassa tuottaa kehon kaikki solut erilaistumalla . Niitä voidaan käyttää myös muodostamaan organoideja , kudoksen tai elimen kolmiulotteista pienoismallia.
Tutkimuksessa iSPC: n erilaistumisen kiinnostavaan kudokseen sanotaan "suunnatuksi" : niiden erilaistuminen pakotetaan in vitro kohti tiettyä solutyyppiä. On esimerkiksi mahdollista indusoida iPSC: iden kohdennettu erilaistuminen kohti keuhkoputken epiteeliä, jossa on kaikki distaalisten hengitysteiden pääsolut: tyvisolut, harjasolut, hius- ja limasolut. Tällaiset epiteelit mahdollistavat keuhkojen kehityksen kohdussa (ja sen moduloinnin istukan esteen läpäisevien epäpuhtauksien), aikuisen keuhkoputken epiteelin tai jopa kroonisten patologioiden, kuten keuhkoahtaumataudin , mallinnamisen altistamalla nämä epiteelit savuuutteille.
Yksi iPSC: n tärkeimmistä eduista on, että ne mahdollistavat suunniteltujen soluterapioiden suorittamisen kantasoluilla turvautumatta alkion tuhoutumiseen tai terapeuttiseen kloonaukseen . Itse asiassa iPSC: llä on ominaisuuksia, jotka ovat erittäin lähellä alkion kantasoluja, samalla kun ne syntyvät aikuisen solusta.
Kuitenkin mahdollisuus erottaa iPSC: t uros- ja naispuolisiksi sukusoluiksi teoriassa mahdollistaa ihmisen kloonaamisen aikuisten soluista. IPSC: t mahdollistavat myös ihmisten / eläinten kimeeristen eläinten luomisen, mikä herättää myös eettisiä ongelmia. IPSC: n käyttö ei siis ole eettisiä riskejä.
Yksi vastaamattomista kysymyksistä on näiden kantasolujen tuntematon taipumus kehittää syöpää. Jotkut tekijät, joita käytetään pluripotenssin indusointiin, ovat onkogeenit, toisin sanoen ne edistävät syöpäkasvainten, tässä tapauksessa Klf4: n ja c-Myc: n, muodostumista. Lisäksi kasvaimiin liittyvien geenien ilmentymisen lisääntyminen havaitaan näiden tekijöiden indusoimissa pluripotentteissa soluissa.
Myöhempi työ on osoittanut, että pluripotenssi on mahdollista saada aikaan turvautumatta näihin onkogeeneihin. Esimerkiksi Harvardin joukkue onnistui indusoimaan pluripotenssin käyttämällä valproiinihappoa onkogeenien sijasta, vaikkakin vähemmän tehokkaasti.
Lisäksi virusten käyttö keinona lisätä uudelleenohjelmointitekijöitä soluun aiheuttaa riskejä. Tämä johtuu siitä, että virus-DNA voi päästä isäntäsolun DNA: han ja aiheuttaa jälkimmäisessä geneettisiä mutaatioita. Siksi on pyritty kehittämään tekniikoita, jotka eivät vaadi virusvektoreiden käyttöä . Näin joukkueet ovat onnistuneet indusoimaan pluripotenssin toimittamalla eri tekijät rekombinanttiproteiinien tai mRNA: n muodossa . Mutta näiden kahden tekniikan tehokkuus on hyvin alhainen verrattuna viraaliseen lähestymistapaan, ja siksi ne on optimoitava. Sendai-vektorien (ei-integroitava RNA-virusvektori) käyttö mahdollistaa erittäin korkean hyötysuhteen ja välttää uudelleenohjelmointitekijöiden lisäämisen ongelman samalla kun sallitaan erittäin tehokas uudelleenohjelmointi, myös verisoluista.