Växande hjärtceller bara för dig

När jag tittade genom ett mikroskop i Madison, Wisconsin, såg jag mina hjärtceller slå i en petriskål. De såg ut som glödande röda räkor utan svans, de pulserade och rörde sig mycket långsamt mot varandra. Lämnade i flera timmar, fick jag höra, dessa kardiomyocyter skulle smälta samman till klumpar som försökte bilda ett hjärta. Flankerande mig fanns forskare som hade utfört experiment som de hoppades skulle avslöja om mina hjärtceller är friska, om de är ovanligt känsliga för droger och om de blir alltför stressade när jag går uppför en trappa.

Det snöade utanför kontorsparkens fönster på Cellular Dynamics International (CDI), där jag observerade en intim demonstration av hur stamcellsteknologier en dag kan kombineras med personlig genomik och personlig medicin. Jag var den första journalisten som genomgick experiment utformade för att se om den fyra år gamla processen som skapar inducerade pluripotenta stamceller (iPS) kan ge insikt i funktionen och ödet för en frisk individs hjärtceller. Liknande tester skulle kunna köras på laboratorieodlade hjärn- och leverceller, eller så småningom på någon av de mer än 200 celltyper som finns hos människor. Det här är nästa steg i personlig medicin: att kunna testa droger och andra faktorer på olika celltyper, sa Chris Parker, CDI:s kommersiella chef och tittade över min axel.

Den här historien var en del av vårt septembernummer 2011

• Se resten av frågan
• Prenumerera

CDI-forskare skapade den lilla biten av mitt hjärta genom att ta celler från mitt blod och programmera om dem så att de återgick till ett pluripotent tillstånd, vilket innebär att de kan växa till vilken celltyp som helst i kroppen. Vetenskapen som gör detta möjligt kommer från labbet av CDI-medgrundaren och stamcellspionjären James Thomson vid University of Wisconsin, ledaren för ett av två team som upptäckte iPS-cellprocessen 2007. (Den andra ansträngningen leddes av Shinya Yamanaka från Kyoto University.) Resultaten liknar de speciella celler som dyker upp i embryon några dagar efter befruktningen.

Sedan slutet av 2008 har företaget tillverkat kardiomyocyter och postat de frusna cellerna på torris till akademiska forskare för att studera hur dessa celler fungerar och till forskare inom läkemedelsindustrin att använda i tidiga tester av läkemedelskandidater. En viktig anledning till att använda cellerna är att de skulle kunna avslöja om droger är giftiga för hjärtat, information som andra typer av tester kan missa. Flera läkemedel har kommit ut på marknaden som har kardiotoxiska profiler, och det är oacceptabelt, säger Parker. Han säger att kardiomyocyterna som härrör från iPS-celler är en enorm förbättring jämfört med de kadaverceller som ibland används för att testa potentiella läkemedelsföreningar. Till skillnad från kadavercellerna slår IPS-genererade celler realistiskt och kan levereras i stora mängder på begäran. Dessutom kan iPS-genererade celler ha samma genetiska sammansättning som patienterna de kom ifrån, vilket är en stor fördel när det gäller att skräddarsy läkemedel och behandlingar till individer. Dessa skräddarsydda celler är dock inte billiga. Cellular Dynamics VD, Robert Palay, säger att de kostar cirka 1 500 dollar för en standardflaska med 1,5 miljoner celler.

En särskilt sensationell möjlighet är att iPS-celler kan transplanteras till patienter så att de kan regenerera sjuka eller skadade ryggrader, hjärnor, hjärtan eller annan vävnad – ett förslag som är särskilt lockande eftersom dessa celler inte skulle avvisas av värdens kropp. De skulle också kunna desarmera den politiska kontroversen kring embryonala stamceller, eftersom de en dag kan göra det möjligt att skörda pluripotenta celler utan att förstöra ett mänskligt embryo.

Transplantation är dock år borta för de flesta vävnadstyper, säger Alexander Meissner, stamcellsforskare vid Harvard University. Det är inte trivialt att regenerera hjärnvävnad, säger han. Det här kommer att ta längre tid än vad folk tror. Thomson håller med. Att prata om transplantation har varit ett slags irrationellt överflöd, säger han. Processen att använda iPS-celler för att skapa ny vävnad utgör fortfarande vissa faror: vissa cellinjer, till exempel, hyser mutationer som kan leda till cancer, och i vissa fall behåller celler ett svagt kemiskt minne av sin tidigare identitet som hud- eller blodceller.

Thomson tror att detta är tillfälliga bakslag. Vi har haft benmärgstransplantation under lång tid, vilket i huvudsak är stamceller, säger han. Och arbete pågår just nu med att använda iPS-celler för att reparera makuladegeneration. Men att reparera skador på nerverna i en ryggrad är mycket svårare. Andra delar hans försiktiga optimism. Praktiskt taget allt om iPS-celler är överhypat, säger Chris Austin, chef för Chemical Genomics Center vid National Institutes of Health. Men i syfte att testa drogkandidater tror jag att möjligheterna är stora, och vi och massor av andra människor driver detta. Det finns många problem. Är iPS-celler verkligen normala? Hur får man tillräckligt med rena differentierade celler? Men potentialen finns definitivt.

Lyser starkt: Ett lager av författarens hjärtceller ser ut som en kaotisk klump under mikroskopet.

Håller sig till vetenskap
Jag besökte James Thomson för första gången en annan snöig, kylig dag i Wisconsin 2008, några veckor efter publiceringen av hans tidning som tillkännager iPS-celler härrörande från mänskliga celler. En skrallig, no-nonsens man i en ledig tröja och misshandlade hamnarbetare, han satt på ett litet kontor utsmyckat med tropiska fiskar, ormbunkar och en antik darttavla och diskuterade sin ursprungliga upptäckt av mänskliga embryonala stamceller 1998. Hans verk av en proteststorm: motståndare hävdade att att förstöra ett mänskligt embryo för att skörda dess stamceller är liktydigt med mord. President George W. Bush begränsade det mesta av federala anslag för embryonal-stamcellsforskning 2001, och kritiker har fortsatt att förtala Thomson, även om han försöker hålla en låg profil. Jag pratar inte så mycket om det, sa han. Jag håller mig till vetenskapen.

Skapandet av iPS-celler 2007 verkade som ett elegant bokstöd till upptäckten från 1998, eftersom det erbjöd ett nytt sätt att producera stamceller som kan differentiera till vilken celltyp som helst – en som faktiskt kan vara bättre, eftersom cellerna skulle vara genetiskt identiska med patienternas egna. Det var en lättnad att vi kunde ha en lösning på denna politiska och etiska situation, sa Thomson. Genombrottet var dock en överraskning. Vi visste att iPS-processen var en möjlighet, sa han, men när vi började var jag säker på att det skulle ta minst 10 år. Thomson och en postdoc från Wisconsin, Junying Yu, satte sig för att skapa iPS-celler genom att modifiera hudceller med regulatorgener som normalt bara finns i embryon. Metoden, sa han, överraskade alla genom att fungera.

Thomson var med och grundade CDI 2007, ungefär samtidigt som flera andra stamcellsarmaturer blev involverade i iPS-cellföretag. Dessa potentiella konkurrenter är dock främst inriktade på att skapa terapier. De använder iPS-celler för att hjälpa till att identifiera och utveckla läkemedelskandidater och för att designa processer som en dag kan leda till transplantation. Hittills har CDI inga seriösa konkurrenter på marknaden för att sälja iPS-genererade celler i volym för användning i forskning och läkemedelsscreening. Detta beror delvis på att Thomson och hans forskarteam har arbetat längre för att övervinna svårigheterna med att industrialisera tekniken. Att göra iPS-celler som är funktionella i stora mängder är tufft, säger Harvards Meissner.

Privatägt har företaget inte detaljerat sin prestation, men dess vd berättade för en lokaltidning att CDI får mångmiljonintäkter från att sälja sina hjärtceller till cirka 40 kunder, inklusive de flesta stora läkemedelsföretag. Nästa år planerar företaget att rulla ut iPS-genererade lever-, hjärn- och blodceller.

Det här är en spelomvandlare, säger stamcellsbiolog Sandra Engle, senior forskare på Pfizer som har använt CDI:s celler. Innan CDI var dessa celler mycket svåra att få tag på, och vi fick bara små mängder. Detta fungerar inte för högkapacitetstester för droger. För Kyle Kolaja, global chef för prediktiva toxikologiska screeningar och framväxande teknologier på Roche, är fördelen med CDI-cellerna att de beter sig som riktiga celler. De har redan en stor inverkan på läkemedelssäkerhet och utveckling, säger han. De har redan ändrat vad vi gör.

Cellulära ledtrådar
Även om företag som Roche och Pfizer för närvarande använder iPS-celler helt enkelt för att screena potentiella läkemedel för toxicitet och andra egenskaper, kan iPS-baserade tester en dag utföras på enskilda patienter för att se om de löper särskild risk för biverkningar. Euan Ashley, en kardiolog vid Stanford University, försöker använda iPS-celler för att diagnostisera och behandla en 16-årig pojke med tidiga symtom på dilaterad kardiomyopati, en potentiellt dödlig sjukdom där hjärtat sväller och försvagas. Det här är den sortens allvarliga genetiska sjukdom som går genom familjer som vi tror kan dra nytta av iPS-teknologier och genomik, säger Ashley. Han har granskat pojkens DNA för kontrollanta genetiska markörer förknippade med sjukdomen och har testat sin bror och sina föräldrar för att se om de också bär markörerna. Stanford-teamet planerar att skapa iPS-celler genom att omprogrammera hudceller som tagits från familjen och sedan få dem att differentiera till kardiomyocyter som bär de karakteristiska genetiska variationerna. Genom att studera biokemin hos dessa hjärtceller hoppas forskarna få ledtrådar om hur de kan svara på olika läkemedelskandidater.

Vi kommer att använda iPS-cellerna för att kontrollera skillnaderna mellan det här barnet och andra med och utan tillståndet, säger Ashley, och för att testa vilka droger som fungerar bäst för pojken och andra drabbade familjemedlemmar. Ashley säger att ett mål är att utveckla tester för att avgöra hur de genetiska variationerna faktiskt påverkar cellerna. Betydelsen av genetiska faktorer kommer att återspeglas i dessa celler, säger han.

Kallhjärtad: Prover av författarens celler lagras i brickor under kryogena förhållanden.

Andra läkare och laboratorier använder också iPS-celler i experiment avsedda att belysa sjukdomar. Forskare vid Salk Institute studerar till exempel iPS-härledda neuroner från personer med schizofreni för att se hur de skiljer sig från normala neuroner, och de kommer att undersöka vad som händer när cellerna exponeras för antipsykotiska läkemedel. Vid NIH studerar en grupp iPS-genererade celler från patienter med en dödlig genetisk störning som kallas Niemann-Pick sjukdom typ C. Andra forskare har föreslagit att använda iPS-genererade celler för att testa effekterna av giftiga kemikalier som kvicksilver och bekämpningsmedel.

Förhoppningen, säger forskare, är att skapa ett bibliotek av iPS-cellinjer från människor som har specifika symtom eller beteenden associerade med en viss sjukdom. Roche har startat ett program med Massachusetts General Hospital i Boston för att skapa cellinjer som speglar olika typer av hjärtsjukdomar; resultaten kan hjälpa företaget att utveckla läkemedel. I somras tillkännagav CDI och Medical College of Wisconsin ett anslag på 6,3 miljoner dollar från NIH för att skapa iPS-genererade hjärtceller från 250 patienter som har lämnat ventrikulär hypertrofi, ett tillstånd som orsakar högt blodtryck och ökar risken för hjärt-kärlsjukdom.

Forskare är fortfarande långt ifrån att använda iPS-celler rutinmässigt för att diagnostisera sjukdom eller erbjuda individuella prognoser. NIH:s Austin varnar för att enskilda celler bara berättar en del av historien om vad som händer i det dynamiska systemet som är människokroppen. I vissa fall har du inte en cell som kan ge dig ett riktigt svar om en sjukdom som depression, säger han. Vilken celltyp använder du för det?

Min mambo
Jag lanserade min egen iPS-resa i en liten Quest Diagnostics-klinik på en lummig gata i San Francisco. Med en gummislang om min arm stack flebotomisten i en nål för att ta upp flera flaskor med blod som skulle fraktas på is till Madison. När de väl kom till CDI, knäckte tekniker upp mina vita blodkroppar och använde ett biokonstruerat retrovirus för att introducera mastertranskriptionsgener i deras DNA. Dessa gener omprogrammerade cellerna så att när de replikerades blev resultaten pluripotenta celler snarare än fler vita blodkroppar. Deras omvandling till fungerande iPS-celler tog flera månader av lirkning, rening och verifiering som kostade cirka 15 000 USD, vilket företaget betalade för mina räkningar. När min pluripotenta cellinje brummade på, justerade forskarna vid CDI några celler för att få dem att differentiera sig till tre typer av hjärtceller – som jag först såg pulserande i ett videoklipp som de skickade till mig via e-post.

I Madison, nästan ett år efter att ha gett upp mitt blod, var jag bara lite orolig när jag stirrade på mina bankande hjärtceller. Jag var på väg att få en genomgång av de experiment som CDI hade utfört för att visa vad dessa små buntar av biokonstruerad cytoplasma och kärnor kan säga om min hälsa och min känslighet för olika droger.

Chris Parker och företagets produktchef för kardiomyocyter, Blake Anson, tog ledningen för att leda mig genom en serie bedömningar som började med tester för att säkerställa att dessa celler fortfarande är du, sa Parker. De visade mig en bild av de 23 parade kromosomerna som tagits från mitt ursprungliga blodprov och jämförde det med en bild som visar kromosomerna tagna från kardiomyocyterna. De hade också gjort en enkel genetisk jämförelse med hjälp av 16 DNA-markörer, ett test som används av brottsbekämpande myndigheter som ger ett snabbt, relativt billigt sätt att bedöma om två prover matchar. När mina tillverkade celler passerade mönstring, gick forskarna till steg två: att se om de betedde sig som riktiga kardiomyocyter.

Först surrade de cellerna med elektricitet för att kontrollera varaktigheten av aktionspotentialerna - de elektriska impulser som driver hjärtsammandragningar. Sedan mätte de slagen av cellerna i aggregatet mot en sorts EKG-vågform som de som visas som upp-och-ned-pulser på en sjukhusmonitor. Mina celler verkade normala.

Pluripotent pionjär: Biologen James Thomson vid University of Wisconsin var med och grundade Cellular Dynamics International 2007 efter att ha utvecklat en metod för att omprogrammera vanliga mänskliga celler för att skapa inducerade pluripotenta stamceller, som kan ge upphov till vilken celltyp som helst. Thomson har sedan dess hjälpt till att banbryta användningen av iPS-celler i läkemedelsutveckling.

Ett tredje test ställde cellerna mot två läkemedel. Den ena var epinefrin, som utlöser fight-or-flight-responsen och påskyndar en persons puls. Vi kan se det här: slå, slå, slå, sa Parker och visade mig en bild med en EKG-linje. Din puls ökar dramatiskt, så det betyder att du är okej - du kan springa från den björnen. Forskarna droppade sedan in en sympatisk agonist, en drog som saktar ner hjärtat. Så dina celler kan slappna av efter att ha sprungit från den björnen, sa Parker. När jag skickade mina testresultat till Euan Ashley, verifierade han min ihållande normalitet – och bekräftade att cellerna i fråga var vad de skulle vara. Dessa tester bevisar att cellerna är kardiomyocyter, sade han, vilket i detta tidiga skede i denna vetenskap är viktigt.

Några veckor senare körde CDI ytterligare en omgång experiment som utsatte mina celler för droger med kända toxiska biverkningar. Först kom Hismanal, ett antihistamin, och Propulsid, ett läkemedel för att behandla gastrointestinala problem. Båda läkemedlen drogs från marknaden i många länder, inklusive USA, eftersom de var förknippade med sällsynta men potentiellt livshotande hjärtarytmier. Denna benägenhet beror på den oväntade och oönskade biverkningen av både läkemedel som blockerar och stör den normala aktiviteten hos en specifik jonkanal i hjärtat, säger en rapport som skickats till mig via e-post från CDI. Båda läkemedlen hade liknande effekter på David Duncans iPS-härledda kardiomyocyter: en dosberoende ökning av varaktigheten av aktionspotentialen ... Förlängd aktionspotential varaktighet är en erkänd utlösande faktor för hjärtarytmi som kan resultera i plötslig död.

För en andra omgång av farmaceutiska tester, exponerade forskarna mina celler för två cancerläkemedel: Gleevec, som mest används för att behandla vissa former av leukemi, och Sutent, som används för att behandla tumörer i magen, tarmen och matstrupen. Båda läkemedlen har biverkningar som inkluderar skador på hjärtat, även om de fortfarande används eftersom sjukdomarna de behandlar är så allvarliga. In vitro-tester på David Duncans iPS-härledda kardiomyocyter visade att båda läkemedlen hade negativa effekter, sade min rapport, och att den Gleevec-medierade effekten kan ha orsakats av att mitokondriell funktion störs. Återigen var reaktionerna från mina celler inte atypiska, även om forskarna sa till mig att om jag hade cancer, kan ytterligare tester visa upp specifika svar som kan hjälpa en läkare att avgöra vilka mediciner som är bäst för mig.

Ashley berättade för mig att iPS-genererade hjärtceller erbjuder stor potential som ett sätt att testa cancerbehandlingar. Kemodroger är verkligen hårda för hjärtan och hjärtceller, sa han. Om den här tekniken kan hjälpa kommer det att vara väldigt viktigt.

CDI har berättat för mig att allt eftersom vetenskapen utvecklas kan den köra tester baserade på den omfattande DNA-sekvensering jag hade gjort för en ny bok, Experimentell man . Jag skulle vara särskilt intresserad av ett test som kan avgöra hur orolig jag borde vara för en genetisk riskfaktor för biverkningar av kolesterolsänkande statiner. Enligt min genetiska profil har jag en betydande risk för myopati – muskelsvaghet – om jag tar vissa former av dessa läkemedel. Men detta tillstånd beror på ett felaktigt enzym som produceras av levern, inte hjärtat, så att ta reda på det beror på om CDI är villig att skapa leverceller från min iPS-linje.

Innan jag lämnade CDI-labbet tittade jag ytterligare en titt på mina hjärtceller som dunkade iväg i deras petriskål i en sorts freakish mambo, och jag undrade när sådana banker av individuella celler skulle bli en rutinmässig del av medicinsk vård. Många hinder kvarstår innan detta kan hända, inklusive de höga kostnaderna för att tillverka cellerna. Men trots kostnaden, säger Thomson, kommer det att finnas människor som kommer att vilja göra detta - rika tidiga adoptanter som vill veta om en sjukdom eller ett läkemedel. Eller vissa människor kanske gör det för att de tycker att det är coolt att ha sina hjärtceller som slår.

När det gäller mig är jag fortfarande förvånad över att kardiomyocyterna i skålen är en del av mig - än mindre att de en dag kan användas som stuntdubblar för mina riktiga celler.

David Ewing Duncan är en San Francisco-baserad författare. Hans senaste bok är Experimentell människa: vad en mans kropp avslöjar om hans framtid, din hälsa och vår giftiga värld.

Dölj