Cellule cardiache in crescita solo per te

Scrutando attraverso un microscopio a Madison, nel Wisconsin, ho visto le mie cellule del cuore battere in una capsula di Petri. Sembravano gamberetti rossi luminosi senza coda, pulsavano e si muovevano molto lentamente l'uno verso l'altro. Lasciati per diverse ore, mi è stato detto, questi cardiomiociti si sarebbero uniti in chiazze cercando di formare un cuore. Accanto a me c'erano scienziati che avevano condotto esperimenti che speravano avrebbero rivelato se le mie cellule cardiache sono sane, se sono insolitamente sensibili ai farmaci e se si stressano eccessivamente quando salgo su una rampa di scale.

Stava nevicando fuori dalle finestre del parco degli uffici della Cellular Dynamics International (CDI), dove stavo osservando un'intima dimostrazione di come le tecnologie delle cellule staminali potrebbero un giorno combinarsi con la genomica personale e la medicina personale. Sono stato il primo giornalista a sottoporsi a esperimenti progettati per vedere se il processo di quattro anni che crea cellule staminali pluripotenti indotte (iPS) può fornire informazioni sul funzionamento e il destino delle cellule cardiache di un individuo sano. Test simili potrebbero essere eseguiti su cellule cerebrali e epatiche cresciute in laboratorio, o eventualmente su uno qualsiasi degli oltre 200 tipi di cellule presenti negli esseri umani. Questo è il prossimo passo nella medicina personalizzata: essere in grado di testare farmaci e altri fattori su diversi tipi di cellule, ha affermato Chris Parker, chief commercial officer di CDI, guardandosi alle spalle.

Questa storia faceva parte del nostro numero di settembre 2011

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Gli scienziati del CDI hanno creato il piccolo pezzo del mio cuore prelevando cellule dal mio sangue e riprogrammandole in modo che tornassero a uno stato pluripotente, il che significa che sono in grado di crescere in qualsiasi tipo di cellula del corpo. La scienza che lo rende possibile proviene dal laboratorio del cofondatore del CDI e pioniere delle cellule staminali James Thomson dell'Università del Wisconsin, il leader di uno dei due team che hanno scoperto il processo delle cellule iPS nel 2007. (L'altro sforzo è stato guidato da Shinya Yamanaka dell'Università di Kyoto.) I risultati sono simili alle cellule speciali che compaiono negli embrioni pochi giorni dopo la fecondazione.

Dalla fine del 2008, l'azienda produce cardiomiociti e invia per posta le cellule congelate su ghiaccio secco a scienziati accademici per studiare come funzionano queste cellule e a ricercatori dell'industria farmaceutica da utilizzare nei primi test di candidati farmaci. Un motivo importante per utilizzare le cellule è che potrebbero rivelare se i farmaci sono tossici per il cuore, informazioni che altri tipi di test possono perdere. Diversi farmaci sono arrivati ​​sul mercato con profili cardiotossici, e questo è inaccettabile, dice Parker. Dice che i cardiomiociti derivati ​​dalle cellule iPS rappresentano un enorme miglioramento rispetto alle cellule di cadavere talvolta utilizzate per testare potenziali composti farmacologici. A differenza delle celle da cadavere, le celle generate da IPS battono realisticamente e possono essere fornite in grandi quantità su richiesta. Inoltre, le cellule generate da iPS possono avere lo stesso corredo genetico dei pazienti da cui provengono, il che è un enorme vantaggio nell'adattare farmaci e trattamenti agli individui. Tuttavia, queste celle su ordinazione non sono economiche. Il CEO di Cellular Dynamics, Robert Palay, afferma che costano circa $ 1.500 per una fiala standard di 1,5 milioni di cellule.

Una prospettiva particolarmente sensazionale è che le cellule iPS potrebbero essere trapiantate nei pazienti in modo che possano rigenerare spine, cervelli, cuori o altri tessuti malati o danneggiati, una proposta particolarmente allettante perché queste cellule non sarebbero respinte dal corpo dell'ospite. Potrebbero anche disinnescare la controversia politica sulle cellule staminali embrionali, perché un giorno potrebbero rendere possibile la raccolta di cellule pluripotenti senza distruggere un embrione umano.

Il trapianto, tuttavia, è lontano anni per la maggior parte dei tipi di tessuto, afferma Alexander Meissner, ricercatore di cellule staminali dell'Università di Harvard. Non è banale rigenerare il tessuto cerebrale, dice. Questo richiederà più tempo di quanto la gente pensi. Thomson è d'accordo. Parlare di trapianto è stata una sorta di esuberanza irrazionale, dice. Il processo di utilizzo delle cellule iPS per creare nuovo tessuto pone ancora alcuni pericoli: alcune linee cellulari, ad esempio, ospitano mutazioni che potrebbero portare al cancro e in alcuni casi le cellule mantengono un debole ricordo chimico della loro precedente identità come pelle o cellule del sangue.

Thomson ritiene che si tratti di battute d'arresto temporanee. Abbiamo avuto il trapianto di midollo osseo per molto tempo, che è essenzialmente cellule staminali, dice. E in questo momento si sta lavorando sull'uso delle cellule iPS per riparare la degenerazione maculare. Ma riparare i danni ai nervi di una colonna vertebrale è molto più difficile. Altri condividono il suo cauto ottimismo. Praticamente tutto ciò che riguarda le cellule iPS è sovraccaricato, afferma Chris Austin, direttore del Chemical Genomics Center presso il National Institutes of Health. Ma allo scopo di testare i candidati ai farmaci, penso che le possibilità siano considerevoli, e noi e molte altre persone stiamo perseguendo questo. Ci sono molti problemi. Le cellule iPS sono davvero normali? Come si ottengono abbastanza cellule differenziate pure? Ma il potenziale c'è sicuramente.

Scintillante: Uno strato delle cellule cardiache dell'autore sembra un ammasso caotico al microscopio.

Attenersi alla scienza
Ho visitato per la prima volta James Thomson in un altro giorno gelido e nevoso nel Wisconsin nel 2008, poche settimane dopo la pubblicazione del suo articolo che annunciava le cellule iPS derivate da cellule umane. Un uomo trasandato e senza fronzoli con un maglione casual e Dockers malconci, sedeva in un piccolo ufficio adornato con pesci tropicali, felci e un antico bersaglio per le freccette e discuteva della sua scoperta originale delle cellule staminali embrionali umane nel 1998. Il suo set di lavoro una tempesta di proteste: gli oppositori hanno sostenuto che distruggere un embrione umano per raccogliere le sue cellule staminali equivale a un omicidio. Il presidente George W. Bush ha limitato la maggior parte dei finanziamenti federali per la ricerca sulle cellule staminali embrionali nel 2001, e i critici hanno continuato a diffamare Thomson, anche se cerca di mantenere un profilo basso. Non ne parlo molto, disse. Mi attengo alla scienza.

La creazione di cellule iPS nel 2007 è sembrata un elegante fermaglio alla scoperta del 1998, perché ha offerto un nuovo modo per produrre cellule staminali in grado di differenziarsi in qualsiasi tipo di cellula, uno che potrebbe effettivamente essere migliore, perché le cellule sarebbero geneticamente identiche a propri dei pazienti. È stato un sollievo poter avere una soluzione a questa situazione politica ed etica, ha detto Thomson. La svolta, però, è stata una sorpresa. Sapevamo che il processo iPS era una possibilità, ha detto, ma quando abbiamo iniziato, ero sicuro che ci sarebbero voluti almeno 10 anni. Thomson e un postdoc del Wisconsin, Junying Yu, hanno deciso di creare cellule iPS modificando le cellule della pelle con geni regolatori che normalmente si trovano solo negli embrioni. Il metodo, ha detto, ha sorpreso tutti lavorando.

Thomson ha co-fondato CDI nel 2007, più o meno nello stesso periodo in cui molti altri luminari delle cellule staminali sono stati coinvolti in società di cellule iPS. Questi aspiranti concorrenti, tuttavia, si concentrano principalmente sulla creazione di terapie. Usano le cellule iPS per aiutare a identificare e sviluppare farmaci candidati e per progettare processi che un giorno potrebbero portare al trapianto. Finora CDI non ha concorrenti seri sul mercato per vendere celle generate da iPS in volume per l'uso nella ricerca e nello screening dei farmaci. In parte, questo è dovuto al fatto che Thomson e il suo team scientifico hanno lavorato più a lungo per superare le difficoltà nell'industrializzazione della tecnologia. Realizzare cellule iPS che siano funzionali in grandi quantità è difficile, afferma Meissner di Harvard.

L'azienda, di proprietà privata, non ha dettagliato le sue prestazioni, ma il suo amministratore delegato ha dichiarato a un giornale locale che CDI ottiene ricavi multimilionari dalla vendita delle sue cellule cardiache a circa 40 clienti, tra cui la maggior parte delle grandi aziende farmaceutiche. L'anno prossimo la società prevede di lanciare fegato, cervello e cellule del sangue generate da iPS.

Questo è un punto di svolta, afferma la biologa delle cellule staminali Sandra Engle, uno scienziato principale senior di Pfizer che ha utilizzato le cellule di CDI. Prima della CDI, queste cellule erano molto difficili da ottenere e ne ottenevamo solo piccole quantità. Questo non funziona per i test ad alto rendimento per i farmaci. Per Kyle Kolaja, responsabile globale degli schermi tossicologici predittivi e delle tecnologie emergenti presso Roche, il vantaggio delle cellule CDI è che si comportano come cellule reali. Stanno già avendo un forte impatto sulla sicurezza e sullo sviluppo dei farmaci, dice. Hanno già cambiato quello che stiamo facendo.

Indizi cellulari
Sebbene aziende come Roche e Pfizer stiano attualmente utilizzando cellule iPS semplicemente per vagliare potenziali terapie per la tossicità e altre caratteristiche, un giorno potrebbero essere eseguiti test basati su iPS su singoli pazienti per vedere se sono particolarmente a rischio di effetti collaterali. Euan Ashley, un cardiologo della Stanford University, sta cercando di utilizzare le cellule iPS per diagnosticare e curare un ragazzo di 16 anni con i primi sintomi di cardiomiopatia dilatativa, una malattia potenzialmente fatale in cui il cuore si gonfia e si indebolisce. Questo è il tipo di grave malattia genetica che attraversa le famiglie che pensiamo possa trarre vantaggio dalle tecnologie e dalla genomica iPS, afferma Ashley. Ha esaminato il DNA del ragazzo alla ricerca di marcatori genetici rivelatori associati alla malattia e ha testato suo fratello e i suoi genitori per vedere se anche loro portano i marcatori. Il team di Stanford prevede di creare cellule iPS riprogrammando le cellule della pelle prelevate dalla famiglia e quindi indurle a differenziarsi in cardiomiociti recanti le caratteristiche variazioni genetiche. Studiando la biochimica di queste cellule cardiache, gli scienziati sperano di ottenere indizi su come potrebbero rispondere a vari farmaci candidati.

Useremo le cellule iPS per verificare le differenze tra questo bambino e altri con e senza la condizione, dice Ashley, e per testare quali farmaci funzioneranno meglio per il ragazzo e altri membri della famiglia colpiti. Ashley afferma che un obiettivo è sviluppare test per determinare come le variazioni genetiche influiscano effettivamente sulle cellule. L'importanza dei fattori genetici si rifletterà in queste cellule, dice.

Freddo: I campioni delle cellule dell'autore sono conservati in vassoi in condizioni criogeniche.

Anche altri medici e laboratori utilizzano cellule iPS in esperimenti destinati a far luce sulla malattia. Ad esempio, i ricercatori del Salk Institute stanno studiando i neuroni derivati ​​da iPS da persone affette da schizofrenia per vedere come differiscono dai neuroni normali ed esamineranno cosa succede quando le cellule sono esposte a farmaci antipsicotici. Al NIH, un gruppo sta studiando cellule generate da iPS da pazienti con una malattia genetica fatale nota come malattia di Niemann-Pick di tipo C. Altri ricercatori hanno proposto di utilizzare cellule generate da iPS per testare gli effetti di sostanze chimiche tossiche come mercurio e pesticidi.

La speranza, affermano i ricercatori, è quella di creare una libreria di linee cellulari iPS da persone che hanno sintomi o comportamenti specifici associati a una particolare malattia. Roche ha avviato un programma con il Massachusetts General Hospital di Boston per creare linee cellulari che riflettano diversi tipi di malattie cardiache; i risultati potrebbero aiutare l'azienda a sviluppare farmaci. Questa estate, CDI e il Medical College of Wisconsin hanno annunciato una sovvenzione di $ 6,3 milioni dal NIH per creare cellule cardiache generate da iPS da 250 pazienti che hanno ipertrofia ventricolare sinistra, una condizione che causa ipertensione e aumenta il rischio di malattie cardiovascolari.

Gli scienziati sono ancora lontani dall'usare le cellule iPS di routine per diagnosticare malattie o offrire prognosi individuali. Austin del NIH avverte che le singole cellule raccontano solo una parte della storia di ciò che accade nel sistema dinamico che è il corpo umano. In alcuni casi, non hai una cellula che possa darti una vera risposta su una malattia come la depressione, dice. Che tipo di cella usi per questo?

il mio mambo
Ho lanciato il mio viaggio iPS in una piccola clinica Quest Diagnostics in una strada alberata a San Francisco. Avvolgendo un tubo di gomma intorno al mio braccio, il flebotomo mi ha infilato un ago per prelevare diverse fiale di sangue che sarebbero state spedite su ghiaccio a Madison. Una volta arrivati ​​al CDI, i tecnici hanno aperto i miei globuli bianchi e hanno usato un retrovirus bioingegnerizzato per introdurre i geni principali della trascrizione nel loro DNA. Questi geni hanno riprogrammato le cellule in modo che quando si replicassero, i risultati fossero cellule pluripotenti piuttosto che più globuli bianchi. La loro trasformazione in cellule iPS funzionanti ha richiesto diversi mesi di persuasione, purificazione e verifica che sono costate circa $ 15.000, che l'azienda ha pagato per mio conto. Una volta che la mia linea cellulare pluripotente stava canticchiando, gli scienziati del CDI hanno modificato alcune cellule per farle differenziare in tre tipi di cellule cardiache, che ho visto per la prima volta pulsare in un video clip che mi hanno inviato via e-mail.

A Madison, quasi un anno dopo aver rinunciato al mio sangue, ero solo un po' ansioso mentre fissavo le cellule del mio cuore che battevano. Stavo per fare un resoconto degli esperimenti che CDI aveva eseguito per dimostrare cosa potevano dire questi piccoli fasci di citoplasma e nuclei bioingegnerizzati sulla mia salute e sulla mia sensibilità a vari farmaci.

Chris Parker e il product manager dell'azienda per i cardiomiociti, Blake Anson, hanno guidato me attraverso una serie di valutazioni che sono iniziate con i test per assicurarsi che queste cellule siano ancora te, ha detto Parker. Mi hanno mostrato una diapositiva dei 23 cromosomi accoppiati prelevati dal mio campione di sangue originale e l'hanno confrontata con una diapositiva che mostrava i cromosomi prelevati dai cardiomiociti. Avevano anche eseguito un semplice confronto genetico utilizzando 16 marcatori del DNA, un test utilizzato dalle forze dell'ordine che fornisce un modo rapido e relativamente economico per valutare se due campioni corrispondono. Quando le mie cellule prodotte hanno superato l'esame, gli scienziati sono passati alla fase due: vedere se si comportavano come veri cardiomiociti.

Per prima cosa hanno acceso le cellule con l'elettricità per controllare l'intervallo di durata dei potenziali d'azione, gli impulsi elettrici che guidano le contrazioni cardiache. Quindi hanno misurato i battiti delle cellule nell'aggregato rispetto a una sorta di forma d'onda ECG come quelle che appaiono come impulsi su e giù su un monitor ospedaliero. Le mie cellule sembravano normali.

Pioniere pluripotente: Il biologo dell'Università del Wisconsin James Thomson ha cofondato Cellular Dynamics International nel 2007 dopo aver sviluppato un metodo per riprogrammare le normali cellule umane per creare cellule staminali pluripotenti indotte, che possono dare origine a qualsiasi tipo di cellula. Thomson da allora ha contribuito all'uso pionieristico delle cellule iPS nello sviluppo di farmaci.

Un terzo test ha confrontato le cellule con due farmaci. Uno era l'adrenalina, che innesca la risposta di lotta o fuga e accelera il polso di una persona. Possiamo vederlo qui: battito, battito, battito, ha detto Parker, mostrandomi una diapositiva con una linea ECG. La tua frequenza cardiaca aumenta drasticamente, quindi significa che stai bene: puoi scappare da quell'orso. Gli scienziati hanno quindi introdotto un agonista simpatico, un farmaco che rallenta il cuore. Così le tue cellule possono rilassarsi dopo essere scappate da quell'orso, disse Parker. Quando ho inviato a Euan Ashley i risultati del test, ha verificato la mia persistente normalità e ha confermato che le cellule in questione erano ciò che avrebbero dovuto essere. Questi test dimostrano che le cellule sono cardiomiociti, ha detto, il che in questa fase iniziale di questa scienza è importante.

Poche settimane dopo, CDI ha condotto un altro giro di esperimenti che ha sottoposto le mie cellule a farmaci con noti effetti collaterali tossici. Prima venne Hismanal, un antistaminico, e Propulsid, un farmaco per trattare i disturbi gastrointestinali. Entrambi i farmaci sono stati ritirati dal mercato in molti paesi, compresi gli Stati Uniti, perché associati ad aritmie cardiache rare ma potenzialmente pericolose per la vita. Questa propensione è dovuta all'effetto collaterale imprevisto e indesiderato di entrambi i farmaci che bloccano e interrompono la normale attività di uno specifico canale ionico nel cuore, ha affermato un rapporto inviatomi per e-mail da CDI. Entrambi i farmaci hanno avuto effetti simili sui cardiomiociti derivati ​​da iPS di David Duncan: un aumento dose-dipendente della durata del potenziale d'azione... Le durate prolungate del potenziale d'azione sono un fattore scatenante riconosciuto per l'aritmia cardiaca che può provocare morte improvvisa.

Per un secondo ciclo di test farmaceutici, gli scienziati hanno esposto le mie cellule a due farmaci antitumorali: Gleevec, usato principalmente per trattare alcune forme di leucemia, e Sutent, usato per trattare i tumori dello stomaco, dell'intestino e dell'esofago. Entrambi i farmaci hanno effetti collaterali che includono danni al cuore, sebbene rimangano in uso perché le malattie che curano sono molto gravi. I test in vitro sui cardiomiociti derivati ​​da iPS di David Duncan hanno dimostrato che entrambi i farmaci hanno avuto effetti avversi, ha affermato il mio rapporto, e che l'effetto mediato dal Gleevec potrebbe essere stato causato dall'interruzione della funzione mitocondriale. Ancora una volta, le reazioni delle mie cellule non erano atipiche, anche se i ricercatori mi hanno detto che se avessi avuto il cancro, ulteriori test avrebbero potuto fornire risposte specifiche che avrebbero potuto aiutare un medico a decidere quali farmaci fossero i migliori per me.

Ashley mi ha detto che le cellule cardiache generate da iPS offrono un grande potenziale come metodo per testare i trattamenti contro il cancro. I farmaci chemioterapici sono davvero duri per i cuori e per le cellule cardiache, ha detto. Se questa tecnologia può aiutare, sarà davvero importante.

Il CDI mi ha detto che man mano che la scienza si evolve, potrebbe eseguire test basati sull'ampio sequenziamento del DNA che avevo fatto per un libro recente, uomo sperimentale . Sarei particolarmente interessato a un test che potrebbe determinare quanto dovrei essere preoccupato per un fattore di rischio genetico per gli effetti collaterali delle statine che abbassano il colesterolo. Secondo il mio profilo genetico, ho un rischio sostanziale di miopatia - debolezza muscolare - se prendo determinate forme di questi farmaci. Tuttavia, questa condizione è dovuta a un enzima malfunzionante prodotto dal fegato, non dal cuore, quindi scoprire se il CDI è disposto a creare cellule epatiche dalla mia linea iPS.

Prima di lasciare il laboratorio CDI, ho dato un'altra occhiata alle cellule del mio cuore che pulsavano nella loro capsula di Petri in una sorta di strano mambo, e mi sono chiesto quando tali banche di singole cellule sarebbero diventate una parte di routine delle cure mediche. Rimangono molti ostacoli prima che ciò possa accadere, compreso l'alto costo di fabbricazione delle celle. Eppure, nonostante la spesa, dice Thomson, ci saranno persone che vorranno farlo: ricchi per primi che vogliono conoscere una malattia o un farmaco. Oppure alcune persone potrebbero farlo perché pensano che avere le cellule del cuore che battono sia bello.

Per quanto mi riguarda, sono ancora stupito che i cardiomiociti nel piatto siano parte di me, figuriamoci che un giorno potrebbero essere usati come controfigure per le mie cellule reali.

David Ewing Duncan è uno scrittore che vive a San Francisco. Il suo libro più recente è Uomo sperimentale: cosa rivela il corpo di un uomo sul suo futuro, la tua salute e il nostro mondo tossico.

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