Förtjänstfull experimentell avhandling 2006
Varje år utser SFD en vinnare av den förnämliga titeln
Årets experimentella avhandling inom Diabetesområdet. I hård
konkurrens har Gabriella Brolén, Lund, korats till vinnare. Priset
består av äran, diplom samt ett stipendium på 25 000
kr som utbetalas med stöd av Pfizer AB.
Här följer en kort sammanfattning av den vinnande avhandlingen.
"Embryonic Stem Cells: Differentiation into Insulin Producing
Cells and Elimination of Damaged Proteins".
Min avhandling innehåller två olika delar: en som fokuserar
på hur man får humana embryonala stamceller att bli till insulinproducerande
celler genom att härma hur utvecklingen normalt går till i
bukspottkörteln (pankreas). Dessa celler har sedan potentialen att
vara en outtömlig resurs av celler för regenerativ diabetesmedicin.
Den andra delen av avhandlingen behandlar hur embryonala stamceller gör
sig av med skadade proteiner. Vi har upptäckt att stamceller har
en unik mekanism för att göra detta.
Insulin produceras i pankreas av beta-celler som finns ansamlade i de
så kallade Langerhanska öarna. Beta-celler känner av socker
i blodet och släpper ut insulin som gör att sockret kan tas
upp av cellerna så att sockerhalten i blodet sänks. Hos diabetiker
finns det för få beta-celler eller så fungerar de på
ett otillfredsställande sätt så att insulinnivån
är låg eller ingen alls, eller så är cellerna okänsliga
för insulin. Man kan idag transplantera Langerhanska öar från
donatorer till patienter med diabetes. Öarna sprutas in i levern
men förstörs ofta med tiden varvid fler transplantationer ofta
krävs för att patienten ska bli insulinfri. Tyvärr råder
det stor brist på donerade organ och således finns en mycket
stor efterfrågan av att artificiellt skapa insulinproducerande celler.
Målet med min doktorsavhandling var att använda stamceller
som startmaterial för att bilda insulinproducerande beta-celler.
Humana embryonala stamceller är pluripotenta vilket innebär
att de kan utvecklas till vilken celltyp som helst i kroppen (men inte
till ett nytt embryo) samtidigt som de har förmågan att dela
sig obegränsat antal gånger och är på så sätt
en outtömlig cellreserv. Pluripotens är unikt för just
embryonala stamceller och delas inte av någon annan celltyp som
normalt finns i kroppen.
För att utveckla stamceller till insulinproducerande celler som är
en mer specialiserad celltyp krävs att stamcellerna får instruktioner
till vad de ska bli. Jag har studerat hur utvecklingen av insulinproducerande
celler normal sker i kroppen och försökt imitera detta händelseförlopp
i olika experiment. Även om man idag vet en hel del om hur pankreas
utvecklas råder det en påtaglig brist på förståelse
av vilka mekanismer som reglerar tillväxten av beta-celler och hur
stamceller ska kunna bli beta-celler. Vidare, så är den största
delen av den information som idag finns baserad på forskning på
gnagare och det är okänt huruvida människans celler beter
sig på liknande sätt.
Vi har funnit att humana embryonala stamceller kan utvecklas till ett
förstadium av beta-celler i cellodling, men att det är svårare
att få dem att bli mogna och insulinproducerande. Vidare har vi
upptäckt att när dessa celler med stamcellsursprung odlas tillsammans
med pankreasvävnad från musembryon som är i samma utvecklingsstadie
så utvecklas cellerna vidare och blir insulinproducerande och uttrycker
flera viktiga markörer för beta-celler. Cellerna blir inte insulinproducerande
när en annan vävnadstyp än pankreas odlas tillsammans med
cellerna vilket visar på att det sker en kommunikation mellan musvävnaden
och de humana stamcellerna. Det är speciellt uppmuntrande att se
att signaler från den embryonala muspankreasen specifikt kan ge
upphov till att stamcellerna blir till insulinproducerande beta-celler.
De humana embryonala stamcellerna verkar svara på extracellulära
signaler som normalt reglerar bildandet av beta-celler i mus och dessa
signaler verkar vara evolutionärt konserverade mellan mus och människa.
I och med detta finns en förhoppning om att vi kan finna vilka mekanismer
som påverkar cellerna att bli mer mogna och insulinproducerande
så att en större mängd celler kan bildas från stamceller.
Om vi lyckas är vi ett steg närmare att skapa ett obegränsat
antal beta-celler som kan användas för att ersätta de insulinutsöndrande
cellerna som saknas vid diabetes.
I den andra delen av avhandlingen, som behandlar hur embryonala musstamceller
gör sig av med skadade proteiner, såg vi helt oväntat
att stamceller har höga halter av skadade proteiner.
Mammalier föds i stort sett utan DNA- och proteinskada men när
organismen åldras sker en progressiv ökning av både skada
på DNA och proteiner. På grund av att könsceller hålls
fria från DNA-skada är det frestande att spekulera om att det
samma är sant för proteinskada, men hittills har inga resultat
styrkt det synsättet. Mekanismen bakom elimineringen av de skadade
proteinerna i avkomman är alltså okänd. Skada i cellulära
komponenter förorsakade av reaktiva syreradikaler (reaktive oxygen
species (ROS)) tros vara en viktig faktor som bidrar till åldringsprocessen.
Cellulärt åldrande karaktäriseras av ackumulering av oxidativt
modifierade proteiner (irreversibel proteinskada), en process som resulterar,
till åtminstone till en del, från ofullständigt proteinutbyte.
Carbonylering och advanced glycation end product (AGE) är exempel
på oxidativa modifikationer av protein och är förknippade
med ett stort antal åldersrelaterade sjukdomar så som Parkinsons
sjukdom, Alzheimers sjukdom och diabetes.
Oväntat fann vi att stamceller innehåller höga halter
av både carbonyler och AGE medan stamceller som blivit specialiserade
hade låga nivåer av skadade proteiner, det vill säga
tvärt om vad som normalt sker hos en åldrande cell. De skadade
proteinerna kunde identifieras och var till stor del chaperoner och proteiner
i cytoskelettet, vilka man vet är huvudmål för proteinoxidation
i åldrande vävnader. Våra resultat visar att stamceller
gör sig av med skadade protein när de specialiserar sig under
cellodling. Elimineringen av skadade proteiner sammanträffar med
en markant ökning av aktiviteten hos 20S proteasomen, varvid en mekanism
kan skönjas. Skadade proteiner kunde även observeras i innercellmassan
hos blastocyster (mycket tidiga embryon), samtidigt som de celler som
redan hade specialiserat sig till trophectoderm visade mycket lägre
nivåer av proteinskada. Följaktligen sker elimineringen av
skadade proteiner inte bara i cellodling utan även under normal embryoutveckling.
Embryonala stamceller verkar alltså ha en unik mekanism som gör
att de kan rensa ut skadade proteiner vilka i alla andra celler annars
ackumuleras med tiden och bidrar till att cellen skadas och åldras.
Utrensningen av skadade proteiner kan vara en del av en tidigare okänd
föryngringsprocess på proteinnivå och gör det värt
att betänka att avkomman hos mammalier initialt kan vara fri från
proteinskada pågrund av en tidig utvecklingsrelaterad eliminering
av skadade proteiner hellre än genom en mekanism som håller
könscellerna fria från destruktiva molekyler.
Bild 1: Insulinproducerande celler bildade från
humana embryonala stamceller. Insulin (grön) och human specifik antikropp
(röd) som enbart färgar humana cellkärnor.
Arbetet med insulinproducerande celler och humana embryonala stamceller
har utförts i samarbete med Cellartis AB i Göteborg samt vid
Stamcellscentrum, Lunds Universitet. Arbetet med proteinskada har skett
i samarbete med Thomas Nyström och Malin Hernebring vid institutionen
för cell- och molekylärbiologi vid Göteborgs Universitet.
Gabriella Brolén
|Upp|
|