LESSEN 21STE EEUW verfaillie

(1)

Lessen voor de 21

steste

Eeuw

_Eeuw

Stamcellen: therapie voor de

toekomst?

Catherine Verfaillie

(2)

Stamcellen

Definitie

Type stamcellen

Toepassingen van stamcellen in

geneeskunde

Ethische en morele vragen omtrent

stamcellen

(3)

Stamcel: definitie

differentiëren

(4)

(5)

Bevruchte eicel Blastocyst

placenta _{Binnenste celmasa}

Embryonale stamcel (ES cel) wordt niet oud

(6)

+

ES cellen produceren alle cellen van een muis

(7)

TERATOMA

darm nier

bot _hersenen

Humane ES cellen differenti

Humane ES cellen differentiëërren ook in alle(?) celtypesen ook in alle(?) celtypes

(8)

Differentiatie van humane ES cellen in vitro

(9)

Enthousiasme omwille van ES cellen

• Wordt niet oud en differentiëert in alle celtypes

• Dus: ES cellen kunnen alle ziektes helen?

(10)

Prenatale genetische diagnose + ES Prenatale genetische diagnose + ES cellijnen

cellijnen

8-cell embryo

Biopsie van 1 blastomeer (cel) PCR voor genetische ziekte Gemuteerd embryo Blastocyst cultuur Normaal embryo Implanteren ES cellijn met genetische ziekte

(11)

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

(12)

Maar, ook controverse rond ES cellen

• _{Teratomas (niet kwaadaardige tumor)} • _{Allogeen (van andere persoon)}

(13)

EICEL NUCLEUS TRANSFER HUIDCEL BLASTOCYST ES CELLIJN NEURALE CELLEN LEVERCEL BEEN-CEL

“AUTOLOGE” STAMCEL THERAPIE KLONEN VOOR REPRODUKTIE

GEKLOOND EMBRYO NUCLEUS WORDT

(14)

Wetenschappelijke redenen tegen reproductief klonen

• _{Hoog aantal abnormale}

embryos

• _{Heel weinig levende}

geboortes

• _{Medische problemen met}

(15)

Morele redenen tegen reproductief klonen

(16)

Hersencellen Hartspier Bloed hersenen hart beenmerg “

(17)

Beenmerg stamcellen zijn ook meer potent?

HSC Beenmerg Bloed + Skeletale spier Cardiale spier Neuronen / glia Levercellen

(18)

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)

(19)

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

(20)

M

Multipotente ultipotente AAdulte dulte PProgenitor rogenitor CCel (MAPcel) el (MAPcel) ondergaat geen senescence (oud worden)

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 0 100 200 300 Dagen in kweek Hayflick fenomeen Kritische telomeerverkorting

(21)

CaPo4 KRAAKBEENCEL Collagen II GLADDE SPIER Sm Myosin SKELETSPIER Sk Myosin MAPcel MAPcel

(22)

Bloedcel: NEEN ENDOTHEELCEL vWF BLOEDCEL CaPo4 BOTCEL KRAAKBEENCEL Collagen II GLADDE SPIER Sm Myosin SKELETSPIER Sk Myosin MAPcel MAPcel

(23)

ENDOTHEELCEL vWF CaPo4 KRAAKBEENCEL Collagen II GLADDE SPIER Sm Myosin SKELETSPIER Sk Myosin BLOEDCEL GABA/TH NEURON MAPcel MAPcel

(24)

Alb/HNF1 LEVERCEL ENDOTHEELCEL vWF CaPo4 BOTCEL KRAAKBEENCEL Collagen II GLADDE SPIER Sm Myosin SKELETSPIER Sk Myosin BLOEDCEL PDX1 TRITC INSULIN+ CEL GABA/TH NEURON MAPcel MAPcel

(25)

Alb/HNF1 LEVERCEL HARTSPIER: NEEN ENDOTHEELCEL vWF CaPo4 KRAAKBEENCEL Collagen II GLADDE SPIER Sm Myosin SKELETSPIER Sk Myosin BLOEDCEL PDX1 TRITC INSULIN+ CEL GABA/TH NEURON MAPcel MAPcel

(26)

Enthousiasme omwille van volwassen stamcellen

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

(27)

Hoe kan dit?

Tegen dogma van ontwikkelingsbiologie!

(28)

Multipele stamcellen Spier HSC Celfusie ES cel Lever Hart Spier Purkinje Bloed cel Tetraploide cel Trans-/de-differentiatie Mogelijke verklaringen: Mogelijke verklaringen: Pluripotentie

(29)

Maar, …

• _{Onderzoek naar pluripotente volwassen stamcellen in}

kinderschoenen, en veel nog niet geweten!

Niet duidelijk dat volwassen stamcellen even

potent zijn als embryonale stamcellen!

Enthousiasme omwille van volwassen stamcellen

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

(30)

- Celtherapie – Welke groeifactoren, welke genen? – Nieuwe medicaties? – Toxiciteit screening? ES cellen Volwassen stamcellen

(31)

Bloed stamceltransplantatie Bloed stamceltransplantatie Lymfociet Witte bloedcel Rode bloedcel Bloed plaatje Radiotherapie Chemotherapie

(32)

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?

(33)

Navelstrengbloed

Stamcel vs. Progenitorcel

HET bloed stamcel gen

(34)

Stamcel vs. Progenitor cel

Gen naam fold higher AAA 2.0 BBB 2.2 CCC 2.2 DDD 2.3 EEE 2.3 FFF 2.3 GGG 2.4 HHH 2.4 III 2.5 JJJ 2.6 KKK 2.8 LLL 2.8 MMM 2.9 NNN 3.0 OOO 3.2 PPP 3.3 QQQ 3.5 RRR 3.5 SSS 3.8 TTT 3.9 UUU 4.2 VVV 5.1 WWW 7.3 AAA 2.0 BBB 2.2 CCC 2.2 DDD 2.3 EEE 2.3 FFF 2.3 GGG 2.4 HHH 2.4 III 2.5 … >40,000 genen

(35)

Stamcel vs. Progenitor cel

>40,000 genen

Gen naam fold higher AAA 2.0 BBB 2.2 CCC 2.2 DDD 2.3 EEE 2.3 FFF 2.3 GGG 2.4 HHH 2.4 III 2.5 JJJ 2.6 KKK 2.8 LLL 2.8 MMM 2.9 NNN 3.0 OOO 3.2 PPP 3.3 QQQ 3.5 RRR 3.5 SSS 3.8 TTT 3.9 UUU 4.2 VVV 5.1 WWW 7.3 AAA 2.0 BBB 2.2 CCC 2.2 DDD 2.3 EEE 2.3 FFF 2.3 GGG 2.4 HHH 2.4 III 2.5 …

(36)

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, …)

(37)

- Celtherapie – Welke groeifactoren, welke genen? – Nieuwe medicaties? – Toxiciteit screening? ES cellen Volwassen stamcellen

(38)

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

(39)

(40)

Kunnen beenmergstamcellen gebruikt worden om

hartinfarct te behandelen?

(41)

Muizen beenmerg differenti

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

de ejectiefractie (pompfunctie) van het hart

Groene hartspier, endotheelcellen en gladde spiercellen

(42)

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-CSF-stimulated 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;

(43)

AMI: Gerandomisserde dubbel blind studie

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

(44)

• 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+: 2.8 x 106 (1.7 x 106) – CD133+: 2.0 x 106 (1.3 x 106) – CD90+/Thy-1: 0.2 x 106 (0.15 x 106) – CD105+/endoglin: 2.5 x 106 (2.0 x 106) – CD117+/c-kit: 7.0 x 106 (3.9 x 106) – CD73+: 32 x 106 (20 x 106) Beenmerg afname Beenmerg afname (S Janssens, K U Leuven)

(45)

(46)

Hoe be

Hoe beïïnvloeden beenmergcellen het hart?nvloeden beenmergcellen het hart?

Maken nieuwe bloedvaten

Maken nieuwe hartspiercellen

Trophisch effect = productie (groei)factoren

(47)

Beenmerg Isolatie Expansie GFP labelen MAPCs

Stamcellen om beroerte te behandelen?

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

(48)

Limb Placement Test

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

Normaa l dier

Dier met beroerte

(49)

Humane MAPcellen corrigeren verlamming grotendeels,

zonder dat neuronen gevormd worden

zonder dat neuronen gevormd worden W. Low, LR Zhao, X. Ortiz, D. Keene, M. Reyes

L im b P la c e m e n t S c o re 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Sham Saline CyA MAPC

* *

Voor transplant 2 weken nadien 6 weken nadien

(50)

Hoe be

Hoe beïïnvloeden MAPcellen herseninfarct?nvloeden MAPcellen herseninfarct?

Maken nieuwe bloedvaten

Maken nieuwe neuronen en glia

Recruteren van cellen

(51)

Stamcellen om gangreen te voorkomen?

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

2 1

(52)

2 1 2 1 Countercurrent zwembad

(53)

Zwem test

P<0.01

baseline (sec) test (sec) % mean

1 sham 984 1331 100.0 2 sham 1389 1371 98.7 3 sham 1032 1049 101.6 100.1 4 sham 617 715 100.0 5 sham 862 1150 100.0 1 ligatie 615 62 10.1 2 Ligatie 649 82 12.6 13.8 3 ligatie 1246 333 26.7 4 ligatie 1026 105 10.2

(54)

2 1

(55)

MAPcel injectie verbeter zwemkapaciteit significant

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

P <0.01

(56)

Vene

Arterie

Spier

Verbetering in zwemkapaciteit mogelijks door

de productie van arteries en nieuwe spiercellen

(57)

Hoe be

Hoe beïïnvloeden beenmergcellen perifere ischemie? nvloeden beenmergcellen perifere ischemie?

Maken nieuwe

bloedvaten _{skeletale spiercellen}Maken nieuwe

Recruteren van cellen

(58)

Bloed stamcel Hart stamcel MAPcel MSC Embryonale stamcel Hersen stamcel

(59)

Media Intima

Adventitia

Kunnen we een arterie bouwen?

Kunnen we een arterie bouwen? Jeff Ross, Bob Tranquillo

Vasculaire gladde spiercel

Arteriële endotheelcel Bindweefsel

(60)

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

Bioartifici

Bioartificiëële Arteries?le Arteries?

Jeff Ross, Bob Tranquillo

(61)

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?

(62)

1. Is creëren en gebruik van ES cellen immoreel?

(63)

Is cre

Is creëërenren en gebruik van ES cellen immoreelen 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?

(64)

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

(65)

1. Morele status van de blastocyst

(66)

(67)

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”. …

(68)

1. Morele status van de blastocyst?

2. Stamcellen zullen het leven verlengen?

(69)

Impact op maatschappelijk leven?

>75 0-25 25-75 1900 1975 2050? le e ft ijd v e rh o u d in g in b e v o lk in g

(70)

Impact op maatschappelijk leven?

• Minder kinderen?

• Minder innovatie in werk?

• Wat met pensioen leeftijd, vergoeding? • Wat met ziekteverzekering?

(71)

1. Morele status van blastocyst

2. Stamcellen zullen het leven verlengen? 3. Impact op maatschappelijk leven?

(72)

Stamcel therapie voor iedereen?

• 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?

(73)

1. Morele status van de blastocyst

2. Stamcellen zullen het leven verlengen? 3. Impact op maatschappelijk leven?

4. Stamcel therapie voor iedereen?

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?

(74)

(75)

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

(76)

#1 #2 #3 ...

Genetische ziektes Diabetes

Ischemie been Beroerte Hartinfarct Parkinson Ruggemergletsel Leverziekte Alzheimer??

Wanneer realiteit?Wanneer realiteit?

Bloedziektes Arthritis Botontkalking Hartinfarct? Niewe medicaties Inzicht in ziektebeeld

(77)

HSC

Delforge, Boogaerts, Verfaillie

Cardiaal Cardiaal Janssen Janssen Vasculair Vasculair

Janssen (Luttun, Carmeliet)

Neurologisch Neurologisch Robberecht Robberecht Skeletaal Skeletaal Luyten Luyten Diabetes Diabetes Mathieu Mathieu

Basis Preklinisch Klinische (Phase

I/II)

MAPC / ESC biologie

MAPC / ESC biologie Verfaillie +?Verfaillie +?

Immunologie

Immunologie Van Gool, Billiau, WaerVan Gool, Billiau, Waer

Beeldvorming

Beeldvorming Mortelmans, Van Laere, Debyser,Mortelmans, Van Laere, Debyser,

(78)

(79)

(80)

(81)

(82)

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,

Jeremy Alred, Jennifer Gravel, Ben Wildenbring

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

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

• 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,

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,

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

Lien, April Breyers, Nihma Estheban

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

Largaespada, Bob 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,

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

Yamanaka, Irv Weissman, Sanjeev Gupta, Markus Grompe, Jon Odorico, Dorothee Von Laere

Joel Vandekerkhove, Jeff Pinxteren, Danny Pipeleers, Harry Heimberg, Vera Rogiers, Zwi Berneman, Peter Ponsaerts

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

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, …