keskiviikko 23. maaliskuuta 2016

Vieraskynä: Tarjoavatko geeniterapeuttiset menetelmät ja kantasoluhoidot parannuskeinon tyypin 1 diabetekseen?


Viime viikolla järjestettiin vuosittainen BMTK:n kandintöiden popularisointitilaisuus, jossa ~3. vuoden biokemian opiskelijat esittelevät kanditaatin kirjallisuustutkielman pohjalta tekemiään postereita, esityksiä, blogikirjoituksia jne. Popularisointitilaisuus on kaikille avoin ja mieleisintään popularisointia voi äänestää (äänestykseen osallistujien kesken arvotaan leffalippuja!). Viime vuonna omaa kandintyötään esitteli täällä Toni, tänä vuonna vuoronsa saa Lauri. 

Diabetes – maailmanlaajuinen ja elinikäinen sairaus

Diabetes, tuon sanan tuntevat nykyisin niin monet ja moni tulee vielä sen tuntemaan tavalla tai toisella. Kyseistä tautia sairasti maailmassa noin 380 miljoonaa ihmistä vuonna 2015 ja sairaiden määrä vain jatkaa kasvuaan. Kasvu ei myöskään näytä hidastuvan vaan jopa kasvavan. Syynä valtavaan kasvuun on liikalihavuus, joka altistaa tyypin 2 diabetekselle. (Ilanne-Parikka et al. 2015). 

Diabetes (latinaksi Diabetes mellitus) on sokeriaineenvaihdunnan häiriö ja sitä on lukuisia erilaisia tyyppejä, mutta sen päätyyppejä ovat tyypin 1 ja 2 diabetes. Tyypin 1 diabetes (nuoruustyypin diabetes) on immunologisista mekanismeista ja tyypin 2 (aikuistyypin diabetes) diabetes on elintavoista aiheutuva sairaus. Tyypin 1 diabeteksessa haiman Langerhansin saarekkeiden beetasolujen vahingoituttua autoimmuunitulehduksessa insuliinin tuotanto loppuu vaihtelevalla nopeudella. Tyypin 2 diabeteksessa insuliinin vaikutus kudoksissa on heikentynyt erinäisistä syistä, kuten liikalihavuudesta. Insuliinihormoni säätelee veren glukoosipitoisuutta eli verensokeria alentavasti ja estää sen isot nousut, jotka voivat olla hengenvaarallisia (Ilanne-Parikka et al. 2015). Tässä blogikirjoituksessa keskityn enemmän tyypin 1 diabetekseen, koska se on eri diabetestyypeistä kaikkein vaativin ja hankalin. En myöskään ala syvemmin pohtimaan tyypin 1 diabeteksen aiheuttavaa tekijää, koska siihen on epäilty niin monen eri tekijän yhteisvaikutusta. Haluaisin kuitenkin nostaa esille erään suomalaistutkijan väitöksen vuodelta 2015, joka toi lisätodisteita sille, että enterovirus aiheuttaa tyypin 1 diabetesta (Oikarinen 2015).

Tällä hetkellä tyypin 1 diabetes on elinikäinen sairaus eli siihen ei ole vielä löydetty parannus- tai ehkäisykeinoa. Ainoastaan tyypin 1 diabeteksen (ja sen lievempien muotojen) oireita voidaan hoitaa erilaisilla hoitomenetelmillä. Jo olemassa olevia hoitomenetelmiä on kehitetty esimerkiksi pienentämällä hoitolaitteen kokoa, mutta myös uudenlaisia hoitomenetelmiä sekä diabeteksen ehkäisyä tutkitaan ja kehitellään. Asiaan saattaa kuitenkin tulla muutos jopa lähitulevaisuudessa. Mahdollisia diabeteksen parannuskeinoja saattaisivat olla joko geeniterapeuttiset menetelmät, kuten CRISPR/Cas9-menetelmä, ja kantasoluhoidot tai jonkinlainen niiden yhdistelmä. 

Diabeteksen ennaltaehkäisy CRISPR/Cas9-menetelmällä

Bakteereilta mimikoidussa CRISPR/Cas9-menetelmässä hyödynnetään lyhyitä toistojaksoryppäitä (Clustered regularly-interspaced short palindromic repeat, CRISPR) ja niihin liittyvää Cas9-nimistä endonukleaasia (CRISPR-associated protein 9, Cas9). CRISPR/Cas9-menetelmällä voidaan muokata geneettisesti kohdesoluja poistamalla niistä lyhyitä tai isoja DNA-pätkiä tai lisäämällä niitä, uudelleen järjestellä geenejä, aktivoida geenejä tai tehdä muita modifikaatioita, kuten muokata kromatiineja tai DNA:ta (kuva 1) (Sander & Joung 2014). Tätä voitaisiin hyödyntää siten diabeteksen hoidossa, että muokattaisiin geneettisesti hematopoeettisia kantasoluja, joista muodostuu T-soluja. Geneettisellä muokkauksella pyrittäisiin ehkäisemään T-solujen hyökkäämistä Langerhansin saarekkeiden beetasolujen kimppuun. Tällä hetkellä ei kuitenkaan vielä tiedetä, että mitä geenejä tulisi lisätä tai poistaa T-soluista, jotta ne eivät hyökkäisi omia kudoksiaan vastaan (Schumann et al. 2015). Siitä huolimatta CRISPR/Cas9-menetelmä tarjoaa työkalut T-solujen geneettiseen muokkaukseen.


Kuva 1. CRISPR/Cas9-menetelmän toiminta (a) luonnossa ja (b) laboratoriossa. (c) Esimerkkisekvenssejä crRNA-tracrRNA –hybridistä ja gRNA:sta (muokattu kuva, Sander & Joung, 2014). Transaktivoivan crRNA:n (Trans-activating crRNA, tracrRNA) välillä on vaihtelevia sekvenssejä, joita kutsutaan ”protovälikkeiksi” (Protospacer). Protovälikkeet sisältävät virus-DNA:ta, joka on peräisin Cas-proteiineille tapahtuvasta hajotuksesta eli. ”Kypsä” crRNA  (CRISPR RNA, crRNA) muodostaa tracrRNA:n kanssa opas-RNA:n (Guide RNA, gRNA), joka ohjaa Cas9-nukleaasin spesifiseen kohtaan. Cas9 katkoo tunnistamansa komplementaarisen kaksijuosteisen DNA-ketjun ja korvaa katkomansa DNA-pätkän uudella. Toisenlaiset Cas9-nukleaasit voivat katkoa ei-komplementaarisen juosteen. Cas9:n spesifinen kiinnityskohta on komplementaarinen gRNA:n sekvenssin kanssa (Jinek et al. 2012, Sander & Joung 2014).

Diabeteksen vaurioiden korjaaminen kantasoluhoidoilla

Kantasoluhoidossa hyödynnetään kantasolujen jakautumista ja erilaistumista spesifisiksi soluiksi. Kantasolun jakautuessa muodostuu kaksi tytärsolua, joista toinen on erilaistuva tytärsolu ja toinen on kantasolu (Tirri et al. 2006). Transdifferentiaation eli aikuisen eliön multipotenttien solujen muuttaminen pluripotenteiksi tai jopa totipotenteiksi soluiksi erilaisten transkriptiotekijöiden (kuva 2) avulla saadaan tehtyä ei-kantasoluista spesifisiä soluja, kuten maksasoluista (Ham et al. 2013) beetasoluja.


Kuva 2. (muokattu kuva, Jopling & Belmonte 2011).

Kantasoluhoidoissa luodaan kokonaan uudet insuliinia tuottavat beetasolut kantasoluista tai muista soluista transdifferentiaation avulla. On myös esitetty, että beetasolujen tuhoutuminen voidaan estää ohjaamalla säätelijä-T-soluja istukkaverestä saatavilla multipotenteilla soluilla (Zhao et al. 2012, Han & Craig 2013, Chhabra & Brayman 2013). Vaikka kantasoluhoito näyttää lupaavalta, niin vielä on ongelmia, jotka hidastavat sen käyttöönottoa. Kantasoluhoidon huonoja puolia ovat muun muassa ei-tarpeellisten solutyyppien tai teratooman muodostuminen (Gunawardana 2014).

Molempien yhdistelmä mahdollinen parannuskeino?

Lupaavuudestaan huolimatta molemmat menetelmät vaativat vielä paljon kehittelyä ja moni kysymys on vielä avoin. Voiko esimerkiksi beetasolujen tuhoutuminen vain uusiutua vaikka uudet beetasolut pystyttäisiin luomaan tilalle? Uuden luominen tässä tapauksessa edellyttäisi, että tyypin 1 diabeteksen aiheuttaja on poistettu tai tehty vaarattomaksi. Tyypin 1 diabetesta ei ole kuitenkaan voitu linkittää yhteen ja ainoaan tekijään. Muokkaamalla T-soluja voimme jopa aiheuttaa tyypin 1 diabetesta vakavampia sairauksia. Ajatusleikkinä kuitenkin asia on kiehtova. Ensiksi voisimme muokata T-soluja siten, että ne eivät hyökkäisi enää omien kudosten kimppuun ja sitten loisimme uudet beetasolut vaurioituneiden tai tuhoutuneiden tilalle. Ajatusleikit sikseen ja realismia kehiin, biokemiassa asiat eivät ole niin yksinkertaisia kuin toivoisimme niiden olevan. Saatamme kokea vallankumouksen diabeteksen hoidossa lähitulevaisuudessa, mutta milloin ja minkälaisen – sitä emme voi vielä tietää.

~Lauri~

Kirjallisuusviitteet

Chen YY (2015). Efficient Gene Editing in Primary Human T Cells. Trends in Immunology, 36 (11): 667–669 pp.
Chhabra P & Brayman KL (2013). Stem cell therapy to cure type 1 diabetes: from hype to hope. Stem Cells Translational Medicine, 2: 328336 pp. 
Gunawardana SC (2014). Benefits of healthy adipose tissue in the treatment of diabetes. World Journal of Diabetes, 5 (4): 420–430 pp.
Han MX & Craig ME (2013). Research using autologous cord blood - time for a policy change. Medical Journal of Australia, 199: 288299 pp. 
Ham DS, Shin J, Kim JW, Park HS, Cho JH & Yoon KH (2013). Generation of functional insulin-producing cells from neonatal porcine liver-derived cells by PDX1/VP16, BETA2/NeuroD and MafA. Public Library of Science One, 8: e79076. 
Ilanne-Parikka P, Rönnemaa T, Saha MT & Sane T (2015). Diabetes. Kustannus Oy Duodecim, Suomi: Helsinki. 8. uudistettu painos.
Jinek M, Chylinski K, Fonfara I, Hauer M, Doudna JA & Charpentier E (2012). A programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity. Science, 337 (6096): 816–821 pp.
Jopling C, Stephanie Boue & Belmonte JCI (2011). Dedifferentiation, transdifferentiation and reprogramming: three routes to regeneration. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 12, 7989 pp.
Oikarinen M (2015). Detection of Enteroviruses in Tissue Samples - Methods and applications in type 1 diabetes. Väitöskirja (väitöspäivä 10.6.2015), Tampereen yliopisto, Acta Electronica Universitatis Tamperensis.
Sander JF & Joung JK (2014). CRISPR-Cas systems for editing, regulating and targeting genomes. Nature Biotechnology, 32: 347–355 pp.
Schumann K, Lin S, Boyer E, Simeonov DR, Subramaniam M, Gate RE, Haliburton GE, Ye CJ, Bluestone JA, Doudna JA & Marson A (2015). Generation of knock-in primary human T cells using Cas9 ribonucleproteins. Proceedings of the National Academy of Sciences, 1512503112v1201512503.
Tirri R, Lehtonen J, Lemmetyinen R, Pihakaski S & Portin P (2006). Biologian sanakirja. Uudistetun laitoksen 3. painos. Otava, 307 pp.
Zhao Y, Jiang Z, Zhao T, Ye M, Hu C, Yin Z, Li H, Zhang Y, Diao Y & Li Y (2012). Reversal of type 1 diabetes via islet β cell regeneration following immune modulation by cord blood-derived multipotent stem cells. BioMed Central Medicine, 10: 3, doi: 10.1186/1741-7015-10-3.

1 kommentti:

  1. Mielenkiintoinen juttu, tulevaisuus näyttää miten käy... :)

    VastaaPoista