Sydänkohtaukset ja sydämen vajaatoiminta ovat edelleen kansakunnan merkittävimpiä terveyshaasteita huolimatta monista läpimurroista sydän- ja verisuonilääketieteessä. Vaikka sydän- ja verisuonitautien ehkäisemisessä tai rajoittamisessa on onnistuttu, vaurioituneen sydämen toiminnan palauttaminen on edelleen valtava haaste. Viimeaikaiset tutkimukset antavat varhaisia todisteita siitä, että aikuisten ja alkioiden kantasolut voivat korvata vaurioituneita sydänlihassoluja ja luoda uusia verisuonia niiden syöttämiseksi. Tässä käsitellään joitakin viimeaikaisia löydöksiä, joissa esitellään kantasolujen korvaamiseen ja lihasten uudistamiseen liittyviä strategioita vaurioituneen sydämen korjaamiseksi.

Esittely

Kantasolubiologia edustaa yleistä, mutta tappavaa sydänsairautta sairastaville uutta lääketieteellistä ulottuvuutta. Tutkijat pyrkivät käyttämään kantasoluja vaurioituneiden sydänsolujen korvaamiseen ja sydämen toiminnan kirjaimelliseen palauttamiseen.

Tänä päivänä Yhdysvalloissa sydämen vajaatoiminta – sydänlihassolujen menetyksen tai toimintahäiriön aiheuttama sydämen tehoton pumppaus – vaivaa 4,8 miljoonaa ihmistä, ja uusia tapauksia tulee vuosittain 400 000. Yksi tärkeimmistä tekijöistä tämän sairauden kehittymiselle on sydänkohtaus, joka tunnetaan lääketieteellisesti sydäninfarktina ja jota esiintyy lähes 1,1 miljoonalla amerikkalaisella vuosittain. On helppo tunnustaa, että sydän- ja verenkiertoelimistön haitat ovat merkittävä kuoleman ja työkyvyttömyyden syy Yhdysvalloissa .

Mikä johtaa näihin tuhoisiin vaikutuksiin? Sydänlihassolujen, niin sanottujen kardiomyosyyttien, tuhoutuminen voi olla seurausta verenpainetaudista, sepelvaltimotaudin aiheuttamasta sydänlihaksen kroonisesta verenkierron riittämättömyydestä tai sydänkohtauksesta, sydäninfarktista, eli sydäntä hapella ruokkivan verisuonen äkillisestä sulkemisesta. Vaikka kirurgiset toimenpiteet, mekaaniset apuvälineet, lääkehoito ja elinsiirrot ovat edistyneet, yli puolet sydämen vajaatoimintapotilaista kuolee viiden vuoden kuluessa alkuperäisestä diagnoosista. Tutkimukset ovat osoittaneet, että hyytymiä hajottavien lääkkeiden kaltaisilla hoidoilla voidaan palauttaa verenkierto sydämen vaurioituneille alueille ja rajoittaa sydänlihassolujen kuolemaa. Tutkijat tutkivat nyt keinoja pelastaa lisää ihmishenkiä käyttämällä kuolleiden tai heikentyneiden solujen korvaavia soluja, jotta heikentynyt sydänlihas saisi pumppausvoimansa takaisin.

Miten kantasoluilla voisi olla merkitystä sydämen korjaamisessa? Vastatakseen tähän kysymykseen tutkijat kartuttavat tietopohjaansa siitä, miten kantasolut ohjautuvat erikoistuneiksi soluiksi. Yksi tärkeä solutyyppi, jota voidaan kehittää, on kardiomyosyytti, sydänlihassolu, joka supistuu työntääkseen veren ulos sydämen tärkeimmästä pumppukammiosta (kammiosta). Kaksi muuta solutyyppiä ovat tärkeitä sydämen moitteettoman toiminnan kannalta: verisuonten endoteelisolu, joka muodostaa uusien verisuonten sisäkalvon, ja sileälihassolu, joka muodostaa verisuonten seinämän. Sydämen verenkierron tarve on suuri, ja nämä erikoistuneet solut ovat tärkeitä kehitettäessä uutta valtimoverkostoa, joka tuo ravinteita ja happea sydänlihaksille sen jälkeen, kun sydän on vaurioitunut. Sekä alkion että aikuisen kantasolujen potentiaalista kykyä kehittyä näiksi solutyypeiksi vaurioituneessa sydämessä tutkitaan nyt osana strategiaa, jolla voidaan palauttaa sydämen toiminta ihmisille, jotka ovat saaneet sydänkohtauksen tai joilla on sydämen vajaatoiminta. On tärkeää, että kantasoluilla tehtävää työtä ei sekoiteta viimeaikaisiin raportteihin, joiden mukaan ihmisen sydänlihassolut voivat jakautua sydäninfarktin jälkeen. Tämä työ viittaa siihen, että vahingoittuneet sydänsolut voivat siirtyä rauhallisesta tilasta aktiiviseen solunjakautumiseen. Tämä ei poikkea monien muiden elimistön solujen kyvystä alkaa jakautua vamman jälkeen. Vielä ei ole todisteita siitä, että sydämessä on todellisia kantasoluja, jotka pystyvät lisääntymään ja erilaistumaan.

Tutkijat tietävät nyt, että erittäin spesifisissä kasvuolosuhteissa laboratorioviljelymaljoissa kantasolut voidaan saada kehittymään uusiksi kardiomyosyyteiksi ja verisuonten endoteelisoluiksi. Tutkijat ovat kiinnostuneita hyödyntämään tätä kykyä korvaavan kudoksen tuottamiseksi vaurioituneelle sydämelle. Tällä lähestymistavalla on valtavia etuja sydämensiirtoihin verrattuna, etenkin kun otetaan huomioon, että nykyisiin elinsiirtotarpeisiin on saatavilla vain vähän luovuttajasydämiä.

Mitkä ovat todisteet siitä, että tällainen lähestymistapa sydämen toiminnan palauttamiseksi voisi toimia? Tutkimuslaboratoriossa tutkijat käyttävät usein sydänkohtauksen hiiri- tai rotta-mallia uusien hoitomuotojen tutkimiseen (ks. kuva 9.1. Sydäninfarktin jyrsijämalli). Sydänkohtauksen aikaansaamiseksi hiiressä tai rotassa sidonta asetetaan sydänlihasta palvelevan pääverisuonen ympärille, jolloin sydänlihassolujen happi- ja ravinnonsaanti katkeaa. Viimeisen vuoden aikana tällaisia malleja käyttävät tutkijat ovat tehneet useita keskeisiä löytöjä, jotka ovat herättäneet kiinnostuksen aikuisten kantasolujen soveltamiseen sydänlihaksen korjaamiseen sydänsairauksien eläinmalleissa.

Kuvio 9.1. Aikuisten kantasolut. Sydäninfarktin jyrsijämalli.

(© 2001 Terese Winslow, Lydia Kibiuk)

Juuri äskettäin Orlic ja kollegat raportoivat hematopoieettisten kantasolujen kokeellisesta soveltamisesta sydämen kudosten uudistamiseen. Tässä tutkimuksessa hiirille aiheutettiin sydänkohtaus sitomalla merkittävä verisuoni, vasen pääsepelvaltimo. Yksilöllisten solujen pintamerkkien tunnistamisen avulla tutkijat eristivät sitten valikoidun ryhmän aikuisten primitiivisiä luuytimen soluja, joilla oli suuri kyky kehittyä monentyyppisiksi soluiksi. Kun nämä solut ruiskutettiin vaurioituneeseen kammion seinämään, ne johtivat uusien kardiomyosyyttien, verisuonten endoteelin ja sileän lihaksen solujen muodostumiseen, mikä synnytti de novo sydänlihaksen, mukaan lukien sepelvaltimot, valtimotiehyet ja kapillaarit. Uusi sydänlihas täytti 68 prosenttia kammion vaurioituneesta osasta yhdeksän päivää luuydinsolujen siirron jälkeen, jolloin kuollut sydänlihas korvattiin elävällä, toimivalla kudoksella. Tutkijat havaitsivat, että siirretyt solut saaneet hiiret selvisivät hengissä useammin kuin sydänkohtauksen saaneet hiiret, jotka eivät saaneet hiiren kantasoluja. Nyt tehdään seurantakokeita siirron jälkeisen analyysiajan pidentämiseksi, jotta voidaan määrittää tällaisen hoidon pidemmän aikavälin vaikutukset . Vaurioituneen sydänlihaksen osittainen korjautuminen viittaa siihen, että siirretyt hiiren hematopoieettiset kantasolut reagoivat signaaleihin, joita oli ympäristössä lähellä vaurioitunutta sydänlihasta. Solut vaelsivat kammion vaurioituneelle alueelle, jossa ne lisääntyivät ja muuttuivat “erikoistuneiksi” soluiksi, jotka näyttivät olevan kardiomyosyyttejä.

Toisessa Jacksonin ja muiden tekemässä tutkimuksessa osoitettiin, että sydänkudosta voidaan uudistaa hiiren sydänkohtausmallissa lisäämällä siihen aikuisten kantasoluja hiiren luuytimestä. Tässä mallissa tutkijat puhdistivat “sivupopulaation” hematopoieettisia kantasoluja geneettisesti muunnetusta hiirikannasta. Nämä solut siirrettiin sitten tappavasti säteilytettyjen hiirten luuytimeen noin 10 viikkoa ennen kuin vastaanottajahiiret altistettiin sydänkohtaukselle katkaisemalla toinen sydämen pääverisuoni, vasen etummainen laskeva sepelvaltimo (LAD). Kaksi-neljä viikkoa aiheutetun sydänvamman jälkeen eloonjäämisaste oli 26 prosenttia. Kuten Orlicin ym. tutkimuksessa, eloonjääneiden hiirten vaurioitunutta kudosta ympäröivän alueen analyysi osoitti, että siellä oli luovuttajalta peräisin olevia kardiomyosyyttejä ja endoteelisoluja. Luuytimeen siirretyt hiiren hematopoieettiset kantasolut olivat siis vastanneet vaurioituneen sydämen signaaleihin, siirtyneet vaurioituneen alueen raja-alueelle ja erilaistuneet useiksi kudostyypeiksi, joita tarvitaan sydämen korjaamiseen. Tämä tutkimus viittaa siihen, että hiiren hematopoieettisia kantasoluja voidaan toimittaa sydämeen sekä luuydinsiirron että suoran injektion kautta sydänkudokseen, mikä tarjoaa toisen mahdollisen hoitostrategian vaurioituneen sydänkudoksen uudistamiseksi.

Lisäistä näyttöä mahdollisista kantasolupohjaisista sydänsairauksien hoitokeinoista saadaan tutkimuksesta, jossa osoitettiin, että luuytimestä otetut ihmisen aikuisen ihmisen kantasolut kykenevät synnyttämään verisuonten sisäverisuonten endoteelisoluja, kun ne on siirretty rotille . Kuten Jacksonin tutkimuksessa, nämä tutkijat aiheuttivat sydänkohtauksen sitomalla LAD-sepelvaltimon. He pitivät huolta siitä, että he tunnistivat ihmisen hematopoieettisten kantasolujen populaation, joka synnyttää uusia verisuonia. Nämä kantasolut ovat plastisia, mikä tarkoittaa, että niistä tulee solutyyppejä, joita ne eivät normaalisti olisi. Soluja käytettiin muodostamaan uusia verisuonia rottien sydämen vaurioituneelle alueelle ja edistämään jo olemassa olevien verisuonten lisääntymistä kokeellisen sydänkohtauksen jälkeen.

Hiiren kantasolujen tavoin nämä ihmisen hematopoieettiset kantasolut voidaan sopivissa viljelyolosuhteissa saada erilaistumaan lukuisiksi kudostyypeiksi, mukaan lukien sydänlihakseksi (ks. kuva 9.2. Sydänlihaksen korjaaminen aikuisten kantasoluilla). Kun nämä solut ruiskutettiin vaurioituneeseen rotan sydämeen johtavaan verenkiertoon, ne estivät hypertrofioituneiden tai paksuuntuneiden mutta muuten elinkelpoisten sydänlihassolujen kuoleman ja vähensivät kollageenisäikeiden ja arpien etenevää muodostumista. Kontrollirotat, joille tehtiin leikkaus ehjällä LAD-sepelvaltimolla, sekä LAD-ligatoiduilla rotilla, joille ruiskutettiin suolaliuosta tai kontrollisoluja, eivät osoittaneet verisuonten määrän lisääntymistä. Lisäksi hematopoieettiset solut voitiin tunnistaa erittäin spesifisten solumerkkiaineiden perusteella, jotka erottavat ne kardiomyosyyttien esiasteiden soluista, minkä ansiosta soluja voidaan käyttää yksinään tai yhdessä myosyyttien uudistamisstrategioiden tai farmakologisten hoitojen kanssa. (Lisätietoja kantasolujen merkkiaineista on liitteessä E.i. Miten tutkijat käyttävät merkkiaineita kantasolujen tunnistamiseen?)

Kuvio 9.2. Aikuisten kantasolut. Sydänlihaksen korjaaminen aikuisten kantasoluilla

(© 2001 Terese Winslow, Lydia Kibiuk)

ihmisen alkion kantasolututkimuksessa on saavutettu jännittäviä uusia edistysaskeleita sydänlihassolujen uudistamisessa. Koska alkion kantasolut kykenevät erilaistumaan aikuisen elimistön minkä tahansa solutyypin soluiksi tahansa, alkion kantasolut ovat toinen mahdollinen lähdepopulaatio sydäntä korjaaville soluille. Ensimmäisen askeleen tässä sovelluksessa ottivat Itskovitz-Eldor ja muut, jotka osoittivat, että ihmisen alkion kantasolut voivat toistettavasti erilaistua viljelyssä alkion kolmesta alkion sukukerroksesta peräisin olevista solutyypeistä koostuviksi alkiokappaleiksi. Eri solutyyppien joukossa havaittiin soluja, joilla oli kardiomyosyyttien fyysinen ulkonäkö, jotka osoittivat sydänsolujen kanssa yhteensopivia solumarkkereita ja osoittivat kardiomyosyyttien kaltaista supistumisaktiivisuutta mikroskoopin alla havainnoituna.

Jatkona tälle varhaiselle työlle Kehat et al. osoittivat alkionkappaleista kehittyville soluille varhaisvaiheen kardiomyosyyttien rakenteellisia ja toiminnallisia ominaisuuksia. Solut, joilla on spontaanisti supistuvaa toimintaa, tunnistettiin positiivisesti käyttämällä merkkiaineita, joissa oli vasta-aineita myosiinin raskaalle ketjulle, alfa-aktiniinille, desmiinille, antinaturieettiselle proteiinille ja sydämen troponiinille – kaikki sydänkudoksessa esiintyvät proteiinit. Nämä tutkijat ovat tehneet näille soluille geneettisen analyysin ja todenneet, että ilmentyvät transkriptiotekijägeenit vastaavat varhaisvaiheen kardiomyosyyttejä. Näistä soluista tehdyt sähköiset rekisteröinnit, muutokset kalsiumionien liikkeessä solujen sisällä ja solujen supistumisherkkyys katekoliamiinihormonistimulaatioon olivat samankaltaisia kuin nisäkkäiden kehityksessä havaitut varhaiskardiomyosyyttien rekisteröinnit, muutokset ja reagointikyky. Seuraava askel tässä tutkimuksessa on selvittää, voidaanko kokeelliset todisteet jyrsijöiden sydäninfarktin paranemisesta toistaa alkion kantasoluilla.

Nämä jyrsijämalleissa tehdyt läpimurtolöydökset tarjoavat uusia mahdollisuuksia käyttää kantasoluja vaurioituneen sydänlihaksen korjaamiseen. Edellä käsiteltyjen tutkimusten tulokset ovat kasvava todiste siitä, että aikuisten kantasoluista voi kehittyä useampia solutyyppejä kuin aluksi luultiin. Näissä tutkimuksissa hematopoieettiset kantasolut näyttävät voivan kehittyä veren lisäksi myös sydänlihakseksi ja endoteelikudokseksi. Tämä aikuisten kantasolujen kyky, jota yhä useammin kutsutaan “plastisuudeksi”, saattaa tehdä tällaisista aikuisten kantasoluista varteenotettavan ehdokkaan sydämen korjaamiseen. Nämä todisteet eivät kuitenkaan ole täydellisiä, sillä hiiren hematopoieettiset kantasolupopulaatiot, joista nämä korvaavat solut syntyvät, eivät ole homogeenisia. Pikemminkin ne on rikastettu kiinnostaviin soluihin erityisten ja valikoivien stimuloivien tekijöiden avulla, jotka edistävät solujen kasvua. Näin ollen näiden injektoitujen solujen alkuperäistä solupopulaatiota ei ole tunnistettu, ja on mahdollista, että niihin sisältyy muita solupopulaatioita, jotka voivat aiheuttaa vastaanottajan hylkäämään siirretyt solut. Tämä on merkittävä ongelma kliinisissä sovelluksissa, mutta se ei ole yhtä merkityksellinen tässä kuvatuissa kokeellisissa malleissa, koska jyrsijät on jalostettu geneettisesti samankaltaisiksi.

Mitkä ovat seuraukset vaurioituneen sydämen korvaavien kudosten erilaistuneen kasvun tutkimuksen laajentamiselle? Riittävän solumäärän tuottamiseen kliinistä käyttöä varten liittyy joitakin käytännön näkökohtia. Yhden vaurioituneen ihmissydämen korjaaminen vaatisi todennäköisesti miljoonia soluja. Alkion kantasolujen ainutlaatuinen kyky lisääntyä viljelyssä voi antaa niille etulyöntiaseman aikuisten kantasoluihin nähden, sillä ne voivat tuottaa suuria määriä korvaavia soluja kudosviljelyssä elinsiirtotarkoituksiin. Tieteen nykytilanne huomioon ottaen on epäselvää, miten aikuisten kantasoluja voitaisiin käyttää tuottamaan riittävästi sydänlihasta elimistön ulkopuolella potilaiden tarpeisiin.

Vaikka tutkijat tietävät nyt, että aikuisten ja alkioiden kantasolut voivat korjata vaurioitunutta sydänkudosta, monet kysymykset vaativat vielä vastauksia, ennen kuin kliinisiä sovelluksia voidaan tehdä. Esimerkiksi kuinka kauan korvaavat solut jatkavat toimintaansa? Kuvaavatko jyrsijöiden tutkimusmallit tarkasti ihmisen sydänsairauksia ja elinsiirtovasteita? Onko näillä uusilla kantasoluista saaduilla korvaavilla kardiomyosyyteillä samanlaiset sähköisiä signaaleja johtavat kyvyt kuin natiiveilla sydänlihassoluilla?

Kantasolut voivat hyvinkin toimia perustana, jolle tulevaisuuden “soluterapia” rakennetaan. Nykyisissä eläinmalleissa sydämen vamman ja kantasolujen levittämisen välinen aika vaikuttaa siihen, missä määrin regeneroituminen tapahtuu, ja tällä on todellista merkitystä potilaalle, joka kiidätetään sydänkohtauksen jälkeen valmistautumattomana päivystykseen. Voisiko tulevaisuudessa potilaan soluja kerätä ja laajentaa käytettäväksi tehokkaasti? Vaihtoehtoisesti, voisivatko riskipotilaat luovuttaa solunsa etukäteen, jolloin solujen antamiseen tarvittava valmistelu olisi mahdollisimman vähäistä? Voidaanko nämä kantasolut lisäksi “ohjelmoida” geneettisesti niin, että ne vaeltavat suoraan vammakohtaan ja syntetisoivat välittömästi sydämen proteiineja, jotka ovat välttämättömiä regeneroitumisprosessissa? Tutkijat käyttävät tällä hetkellä kaikista lähteistä peräisin olevia kantasoluja näiden kysymysten ratkaisemiseksi, mikä tarjoaa lupaavan tulevaisuuden terapioille, joilla korjataan tai korvataan vaurioitunutta sydäntä ja puututaan kansakunnan tärkeimpiin kuolemansyihin.

1. Beltrami, A.P., Urbanek, K., Kajstura, J., Yan, S.M., Finato, N., Bussani, R., Nadal-Ginard, B., Silvestri, F., Leri, A., Beltrami, C.A. ja Anversa, P. (2001). Todisteet siitä, että ihmisen sydänlihassolut jakautuvat sydäninfarktin jälkeen. N. Engl. J. Med. 344, 1750-1757.
2. Itskovitz-Eldor, J., Schuldiner, M., Karsenti, D., Eden, A., Yanuka, O., Amit, M., Soreq, H. ja Benvenisty, N. (2000). Ihmisen alkion kantasolujen erilaistuminen alkion kolmea sukukerrosta käsittäviksi alkiokappaleiksi. Mol. Med. 6, 88-95.
3. Jackson, K.A., Majka, S.M., Wang, H., Pocius, J., Hartley, C.J., Majesky, M.W., Entman, M.L., Michael, L.H., Hirschi, K.K. ja Goodell, M.A. (2001). Iskeemisen sydänlihaksen ja verisuonten endoteelin uusiutuminen aikuisten kantasolujen avulla. J. Clin. Invest. 107, 1-8.
4. Kehat, I., Kenyagin-Karsenti, D., Druckmann, M., Segev, H., Amit, M., Gepstein, A., Livne, E., Binah, O., Itskovitz-Eldor, J. ja Gepstein, L. (2001). Ihmisen alkion kantasolut voivat erilaistua sydänlihassoluiksi, joilla on kardiomyosyyttisiä rakenteellisia ja toiminnallisia ominaisuuksia. J. Clin. Invest. (painossa)
5. Kessler, P.D. ja Byrne, B.J. (1999). Myoblastisolujen siirto sydänlihakseen: solubiologia ja mahdolliset sovellukset. Annu. Rev. Physiol. 61, 219-242.
6. Kocher, A.A., Schuster, M.D., Szabolcs, M.J., Takuma, S., Burkhoff, D., Wang, J., Homma, S., Edwards, N.M. ja Itescu, S. (2001). Ihmisen luuydinperäisten angioblastien aiheuttama iskeemisen sydänlihaksen neovaskularisaatio ehkäisee kardiomyosyyttien apoptoosia, vähentää remodelingia ja parantaa sydämen toimintaa. Nat. Med. 7, 430-436.
7. Lanza, R., henkilökohtainen tiedonanto.
8. Orlic, D., henkilökohtainen tiedonanto.
9. Orlic, D., Kajstura, J., Chimenti, S., Jakoniuk, I., Anderson, S.M., Li, B., Pickel, J., McKay, R., Nadal-Ginard, B., Bodine, D.M., Leri, A. ja Anversa, P. (2001). Luuydinsolut uudistavat sydäninfarktin saanutta sydänlihasta. Nature. 410, 701-705.
10. Pittenger, M.F., Mackay, A.M., Beck, S.C., Jaiswal, R.K., Douglas, R., Mosca, J.D., Moorman, M.A., Simonetti, D.W., Craig, S. ja Marshak, D.R. (1999). Aikuisten ihmisen mesenkymaalisten kantasolujen monilinjaisuuspotentiaali. Science. 284, 143-147.

Luku 8 | Sisällysluettelo | Luku 10

Historiallinen sisältö: 17. kesäkuuta 2001