NEDERLANDSE SAMENVATTING

Transkrypt

1

2

3 NEDERLANDSE SAMENVATTING Het reduceren en bij voorkeur geheel voorkomen van het verlies van zenuwcellen in de hersenen en het ruggenmerg van MS patiënten vormt nog steeds de belangrijkste uitdaging voor nieuw te ontwikkelen behandelingsmethodes. Terwijl in de afgelopen jaren aanzienlijke vooruitgang is geboekt in de ontwikkeling van ontstekingsremmende medicijnen die de ernst en frequenties van schubs bij MS patiënten aanzienlijk kunnen reduceren, bestaat er nog geen enkele therapeutische mogelijkheid om voortschrijdende neurodegeneratie in het zenuwstelsel van MS patiënten te stoppen. Met de aantasting van de voor prikkelgeleiding essentiële myeline-schede rond axonen bij MS, gaat ook de beschermende/voedende functie van het myeline voor de axonen verloren. Langdurige afwezigheid van die bescherming maakt het axon kwetsbaar voor allerlei toxische invloeden uit de omgeving, waardoor uiteindelijk degeneratie van axon en bijbehorende cellichaam zal optreden. Het zo spoedig mogelijk herstellen van de myeline-schede lijkt de meest logische en adequate methode om neurodegeneratie bij MS te voorkomen. Tot nu toe is er echter geen enkele therapeutische strategie in geslaagd om remyelinisatie van axonen te bewerkstelligen. Intracerebrale transplantatie van allerlei nieuwe myeline-vormende cellen heeft in verschillende proefdieren, waarin MS kon worden nagebootst, geleid tot herstel van myeline en een verbetering van de symptomen die het gevolg waren van het verlies van myeline. Tot dusverre was een dergelijke benadering voor MS patiënten niet mogelijk vanwege het ontbreken van een geschikte bron voor grote aantallen autologe ( eigen ) myeline-vormende cellen. Met de ontdekking van induced pluripotency in 2006, kwam een oplossing voor dit probleem in zicht. De mogelijkheid om gewone lichaamscellen, zoals bijvoorbeeld fibroblasten uit een klein huidbiopt, te reprogrammeren tot een soort embryonale stamcellen, zgn. induced pluripotente stamcellen (ips cellen), die te differentiëren zijn tot elk denkbaar celtype, heeft een vrijwel onuitputtelijke autologe bron voor myeline-vormende cellen binnen bereik gebracht. Dit proefschrift beschrijft experimenteel onderzoek naar het mogelijk gebruik van ips cellen als bron voor autologe oligodendrocyten ten behoeve van een celtransplantatie-therapie gericht op myeline-herstel en neuroprotectie in MS patiënten. In hoofdstuk 1 wordt allereerst een kort overzicht gegeven van de pathologie van de verschillende types MS, maar gaat daarna met name in op recente inzichten in mogelijke ziekte-initiërende mechanismes, in MS-ontvankelijkheid en risico-genen zoals die naar voren zijn gekomen in uitgebreide GWAS studies (genome wide association studies) aan grote cohorten van verschillende type MS patiënten. Nieuwe ideeën over en argumenten voor de primaire aard van MS, chaper 8 NEDERLANDSE SAMENVATTING 163

4 i.e. een auto-immuun vs. een neurodegeneratieve ziekte ( inside-out-model ) komen aan bod. De perceptie van MS als de consequentie van een complexe interactie tussen genetische, epigenetische en omgevingsfactoren is dramatisch veranderd in de afgelopen jaren en heeft geleid tot het verder in kaart brengen van al die factoren. Tenslotte wordt ingegaan op het proces van endogene remyelinisatie, de redenen waarom dit proces in MS patiënten tekort schiet en hoe transplantatie van geschikte exogene cellen dit proces weer kan stimuleren. Een uitgebreid review van onderzoek naar het gebruik van exogene humane oligodendrocyten, verkregen uit allerlei bronnen, ten behoeve van remyelinisatieinductie wordt gegeven in hoofdstuk 2. In veel gevallen zijn deze cellen verkregen na in-vitro differentiatie uit stamcellen. Gedetailleerde kennis over normale humane oligodendrogenese is essentieel voor dit differentiatie-proces, omdat al de ontwikkelingsstappen tijdens de embryonale oligodendrocyte-vorming in kweek nagebootst moeten worden ten einde functionele oligodendrocyten te verkrijgen. Van groot belang voor een juiste evaluatie van de in-vivo remyelinisatiecapaciteit van de gebruikte oligodendrocyten na intracerebrale transplantatie is het gebruikte diermodel voor MS; het is duidelijk dat geen van de huidige diermodellen nog in staat zijn om alle aspecten van MS afdoende na te bootsen. In hoofdstuk 3 zijn we begonnen met het genereren van ips cellen uit embryonale muizenfibroblasten. Na verificatie van het pluripotente karakter van de verkregen ips cellijnen, werden deze cellen gebruikt voor differentiatieexperimenten. Wij zijn er als eerste in geslaagd om een differentiatie-protocol te ontwikkelen voor de differentiatie van ips cellen tot oligodendrocyte precursor cellen (OPCs) die vervolgens konden uitrijpen tot functionele myeline-vormende oligodendrocyten. Hun myelinisatie-capaciteit kon worden aangetoond zowel in-vitro als in-vivo, respectievelijk in co-kweken met sensorische neuronen en na implantatie bij muizen die tevoren op een demyeliniserend cuprizone-dieet gezet waren (cuprizone is een toxine dat selectief oligodendrocyten aantast). Hoewel de implantatie-experimenten, als proof-of-principle, lieten zien dat uit ips cellen verkregen OPCs (ips-opcs) remyelinisatie kunnen bewerkstelligen, was het percentage OPCs dat de ingrijpende implantatie-procedure overleefden laag, ongeveer 20%. Naast praktische verbeteringen aan de implantatieprotocollen, kan dit percentage aanzienlijk verhoogd worden door de inductie van transiente expressie van genen die overleving stimuleren en apoptosis (celdood) onderdrukken. Genetische modificatie kan ook toegepast worden om de specifieke migratie van geïmplanteerde ips-opcs naar te remyeliniseren axonen in een laesie te stimuleren. Wij hebben onderzocht of de over-expressie van de adhesie-factor PSA-NCAM in ips-opcs, de migratie-activiteit van die cellen kan vergroten (hoofdstuk 4). Hiertoe hebben we het gen dat codeert voor het enzym sialyl transferase X 164 NEDERLANDSE SAMENVATTING

5 (STX) in de OPCs tot over-expressie gebracht. Dit enzym zet een polysialic acid (PSA) groep aan NCAM (neural cell adhesion molecule), een molecuul dat een belangrijke rol speelt in de interactie van het celmembraan met het substraat (extracellulaire matrix) waar de cel over migreert. De PSA-NCAM vorm van dit molecuul heeft een veel lossere interactie met het substraat, waardoor de cel gemakkelijker kan migreren dan met niet-gesialiceerd NCAM. Wij slaagden er in op deze wijze de productie van PSA-NCAM in de uit ips cellen verkregen OPCs te stimuleren en konden laten zien dat daarmee de migratie-capaciteit van de ips-opcs zowel in-vitro als in-vivo, na implantatie, met 25 tot 50% vergroot was. Het is essentieel dat OPCs, op het moment van interactie met axonen en bij het matureren tot myeline-producerende oligodendrocyten, geen PSA-NCAM op hun membraan meer hebben; de ips-opcs bleken in staat zelf de expressie en activiteit van het STX te reguleren en, op het moment van verdere differentiatie, de expressie van STX stil te leggen. Onze resultaten zijn van groot belang voor eventuele klinische toepassing van autologe ips-opcs bij MS patiënten, waar de OPCs over grote afstanden moeten migreren, aangetrokken door stress signalen vanuit de laesies. Als logisch vervolg op het onderzoek aan de muizen ips cellen en een volgende stap naar een mogelijke transplantatie-therapie voor MS patiënten, hebben we in hoofdstuk 5 onderzocht of ook humane ips cellen tot functionele oligodendrocyten gedifferentieerd konden worden. Wij slaagden er als eerste in om een OPC-differentiatie protocol voor humane ips cellen samen te stellen en te optimaliseren. In onze lange (120 dagen) in-vitro differentiatie-procedure, hebben we zeer accuraat alle verschillende stappen van de normale in-vivo ontwikkeling van humane OPCs weten na te bootsen. Ieder stadium van ontwikkeling van de humane ips-opcs werd geverifieerd aan de hand van het voor dat stadium karakteristieke expressie-patroon van specifieke eiwitten. Tenslotte konden we aantonen dat de humane ips-opcs verder konden differentiëren tot rijpe oligodendrocyten die DRG axonen in-vitro konden myeliniseren. Ook in het cuprizone-demyelinisatie muismodel voor MS, bleken de humane ips-opcs functioneel en in staat, na stereotactische implantatie, nieuw myeline te vormen rond de kale axonen in het corpus callosum. Een belangwekkende observatie werd gedaan na implantatie van de humane ips-opcs in muizen waarin EAE (experimental autoimmune encephalomyelitis) was opgewekt door middel van subcutane injectie met myeline-fragmenten. Het EAE diermodel bootst op deze wijze de auto-immuun geassocieerde ontstekingsreactie van MS na en gaat gepaard met de vorming van MS-achtige laesies gekenmerkt door cellulaire infiltraties en demyelinisatie. De, bij de allereerste symptomen, intraventriculair toegediende humane ips-opcs veroorzaakten een significante onderdrukking van de klinische symptomen. Het aantal laesies was sterk gereduceerd en het chaper 8 NEDERLANDSE SAMENVATTING 165

6 demyelinisatie-stadium werd niet bereikt (en de remyelinisatie-capaciteit van de geïmplanteerde OPCs werd niet aangesproken). Opmerkelijk was het feit dat slechts enkele van de geïmplanteerde ips-opcs terug konden worden gevonden in de kleine laesies. Deze resultaten duidden op een indirect effect van de getransplanteerde ips-opcs via hun productie en secretie van een groot aantal verschillende immunomodulerende, anti-inflammatoire en neurotrofe factoren. In eerdere publicaties is dit specifieke secretoom van NSCs ( neurale stamcellen) en OPCs en hun effect in muismodellen reeds beschreven en wij konden aantonen dat uit ips cellen verkregen OPCs een zelfde expressie-patroon hebben als hun primaire tegenhangers, met o.a. een prominente expressie van TGF-β en LIF. Onze hierboven beschreven studies in de muismodellen voor MS hebben laten zien dat transplantatie van (autologe) uit humane ips cellen verkregen OPCs een veelbelovende therapeutische benadering kan zijn voor MS met zowel antiinflammatoire als remyelinisatie-bevorderende eigenschappen. Het is evident dat er, voordat een klinische trial gestart zou kunnen worden met dergelijke implantaties, over een aantal essentiële praktische aspecten duidelijkheid verkregen dient te worden, i.e. de wijze van toediening, het aantal cellen, hun migratie, distributie en overleving, veiligheid (geen tumorvorming), etc. Het gebruik van kleine nonhumane primaten, met name het EAE marmoset model, - het diermodel dat algemeen beschouwd wordt als de beste imitatie van MS-, biedt, als laatste stap voor een klinische trial, een geschikte benadering voor de beantwoording van bovenstaande kwesties. In hoofdstuk 6 rapporteren wij over een eerste kleinschalige, korte termijn (7 dagen) pilot studie in MS marmoset apen (marmoset apen waarbij EAE is opgewekt) waarin met name enkele meer praktische aspecten van de intrathecale implantatie-procedure en van het prepareren van viabele ips-opc celsuspensies worden getest. Na 7 dagen waren, als verwacht, slechts enkele cellen dichtbij de plaats van injectie er in geslaagd het hersenparenchym al binnen te dringen; de meeste cellen circuleerden in de peri-cerebrale ruimte. In deze pilot studie hebben we onze procedures om zuivere celsuspensies van een groot aantal viabele humane ips-opcs te maken, te transporteren en langzaam te injecteren kunnen optimaliseren; ook na intrathecale injectie waren de cellen viabel en er waren geen directe bijwerkingen, geen schadelijke ophoping of tumorvorming. In een langere vervolg pilot studie in EAE marmoset apen, zijn inmiddels ips-opcs dicht bij de laesies geïnjecteerd; momenteel worden de overleving, de specifieke migratie, differentiatie en activiteit van de humane ips-opcs in en rondom de laesies geanalyseerd. De ontdekking van induced pluripotency in 2006 heeft de regeneratieve geneeskunde een uniek nieuw instrument gebracht. Als alternatief voor de omstreden embryonale stamcellen, vormen humane ips cellen, gegenereerd van patiënt-eigen huidcellen, een ongelimiteerde bron van (transplanteerbare) cellen 166 NEDERLANDSE SAMENVATTING

7 voor celvervangingstherapieën of voor gedetailleerde studies van pathogene mechanismes in cellen die bij specifieke ziektes zijn aangetast. Hoewel de initiële euforie over de mogelijkheden van ips cellen enigszins getemperd werd door onzekerheid over hun immunogeniciteit, de compleetheid van hun reprogrammering en, daarmee verbandhoudend, de compleetheid van hun uiteindelijke differentiatie, heeft voortschrijdend onderzoek geleerd dat toepassing van aanvullende procedures de meeste van die problemen kan wegnemen. Er zijn inmiddels veilige gestandaardiseerde reprogrammeringinductie protocollen ontwikkeld voor het genereren van zgn. zero-footprint / xeno-free humane ips cellen die voldoen aan de laatste strenge GMP (good manufacturing practice) eisen en toegepast kunnen worden in de kliniek. In dit proefschrift hebben we de mogelijkheid onderzocht van toepassing van de ips technologie voor de behandeling van MS. Onze via ips cellen verkregen humane OPCs bleken viabel en functioneel zowel in in-vitro testen als na implantatie in diermodellen voor MS. Het rechtvaardigt het verder uittesten van hun klinische toepassing bij MS patiënten maar ook in patiënten met andere witte stof ziektes en aandoeningen waarbij demyelinisatie optreedt. chaper 8 NEDERLANDSE SAMENVATTING 167

8 POLISH SUMMARY Stwardnienie rozsiane (SM; łac. sclerosis multiplex) jest jedną z najbardziej wyniszczających chorób ośrodkowego układu nerwowego (OUN), która charakteryzuje się zanikiem tkanki nerwowej (neurodegeneracja) w wyniku utraty neuronalnych osłonek mielinowych (demielinizacja). Zapobieżenie utracie komórek nerwowych u chorych na SM pozostaje głównym wyzwaniem dla opracowania nowych, efektywnych metod leczenia. Mimo, iż w ostatnich latach odnotowano znaczny postęp w rozwoju leków przeciwzapalnych, zdolnych w istotny sposób zmniejszyć nasilenie i częstość nawrotów choroby u pacjentów z SM, wciąż brakuje skutecznej terapii, która pozwalałaby powstrzymać postępującą demielinizację i wynikającą z niej neurodegenerację. Wraz z utratą osłonek mielinowych w wyniku SM, aksony tracą nie tylko zdolność do efektywnego przewodzenia sygnałów nerwowych, ale również zapewnianą im przez mielinę funkcję ochronną i odżywczą. Długotrwały brak takiej ochrony sprawia, że aksony podatne są na wszelkiego rodzaju toksyczne wpływy środowiska, co ostatecznie prowadzi do ich obumarcia a w dalszej kolejności do śmierci ciał komórek nerwowych. Jak najszybsza odbudowa osłonki mielinowej wydaje się więc logicznym sposobem na powstrzymanie neurodegeneracji w SM. Jednakże jak do tej pory medycyna nie dysponuje terapią zdolną do odbudowy mieliny. Skuteczną strategią może okazać się przeszczepienie komórek mających zdolność wytwarzania mieliny (oligodendrocytów), co zostało wielokrotnie udowodnione w eksperymentach z udziałem modeli zwierzęcych. Taka strategia prowadzi do odbudowy zniszczonych osłonek mielinowych i zmniejszenia objawów chorobowych będących wynikiem utraty mieliny. Dotychczas, takie podejście nie było jednak możliwe do zastosowania u pacjentów ze stwardnieniem rozsianym ze względu na brak odpowiedniego źródła autologicznych ( własnych ) komórek wytwarzających mielinę. Rozwiązaniem dla tego problemu okazało się odkrycie w 2006 roku metod indukowanej pluripotencji, które w krótkim czasie umożliwiły odróżnicowanie dojrzałych (zróżnicowanych) somatycznych komórek ludzkich, na przykład fibroblastów pochodzących z niewielkiej biopsji skóry, w komórki posiadające cechy embrionalnych komórek macierzystych. Tak zwane indukowane pluripotentne komórki macierzyste (komórki ips; ang. induced pluripotent stem cells), które są w stanie przekształcić się w dowolny rodzaj wyspecjalizowanych komórek (w tym w komórki wytwarzające mielinę takie jak oligodendrocyty), mogą stanowić praktycznie niewyczerpane źródło autologicznych komórek wykorzystywanych do przeszczepień. W niniejszej rozprawie doktorskiej opisujemy badania mające na celu ustalenie możliwości przyszłego wykorzystania komórek ips jako autologicznego źródła oligo- 168 POLISH SUMMARY

9 dendrocytów w terapii komórkowej u pacjentów z SM ukierunkowanej na neuroprotekcję i odbudowę utraconej mieliny (remielinizację). Rozdział 1 niniejszej pracy zawiera krótki przegląd różnych podtypów SM oraz skupia się szczególnie na ostatnich spostrzeżeniach na temat potencjalnych mechanizmów inicjujących chorobę. Przedstawia wnioski pochodzące z rozległych badań genomu (GWAS; ang. genome-wide association studies) pacjentów cierpiących na SM odnośnie wariantów genów podejrzewanych o zwiększanie ryzyka rozwoju choroby. Dyskutowane są również nowe argumenty przemawiające za neurodegeneracyjną etiologią choroby - tak zwanym modelem inside-out (SM tradycyjnie uznawane jest za chorobę autoimmunologiczną). W ostatnich latach wzrost wiedzy na temat różnorodnych czynników korelujących z występowaniem/ ryzykiem SM doprowadził do nowego sposobu postrzegania tej choroby, jako konsekwencji złożonych interakcji między czynnikami genetycznymi, epigenetycznymi i środowiskowymi. W dalszej części rozdziału opisano przebieg procesu endogennej remielinizacji oraz najbardziej prawdopodobne przyczyny niewydolności tego procesu u chorych na SM. W ostatniej części przedstawiono potencjalny sposób leczenia stwardnienia rozsianego z wykorzystaniem przeszczepień komórek (najlepiej autologicznych), mających zdolność odbudowy uszkodzonej mieliny. Rozdział 2 stanowi wyczerpujący przegląd prac wykorzystujących ludzkie oligodendrocyty pochodzące z różnorodnych źródeł w badaniach nad procesem remielinizacji. W wielu przypadkach, komórki te są uzyskiwane w wyniku różnicowania komórek macierzystych w warunkach laboratoryjnych. W rozdziale tym opisano również proces naturalnego różnicowania się oligodendrocytów w czasie embriogenezy i życia płodowego. Wiedza ta jest szczególnie ważna podczas indukcji oligodendrogenezy in-vitro, gdyż w celu uzyskania funkcjonalnych komórek oligodendrocytów produkujących osłonki mielinowe musi ona jak najwierniej odzwierciedlać procesy zachodzące w naturze. Odpowiednio scharakteryzowane komórki, wyhodowane w warunkach laboratoryjnych, mogą zostać następnie użyte w stosownych doświadczeniach in-vitro, bądź posłużyć do przeszczepień. Dla właściwej oceny zdolności remielinizacyjnych przeszczepionych komórek niezbędne jest zastosowanie odpowiednich modeli zwierzęcych. W większości opisanych badań, transplantacja ludzkich oligodendrocytów przyczyniła się do poprawy stanu badanych zwierząt wynikającej albo bezpośrednio z odbudowy mieliny przez przeszczepione komórki, albo pośrednio poprzez produkowane przez nie czynniki posiadające właściwości immunomodulacyjne i antytoksyczne/neuroprotekcyjne. Oczywistym pozostaje jednak fakt, ze żaden z obecnie stosowanych modeli zwierzęcych nie jest w stanie wiernie oddać wszystkich aspektów SM, co z pewnością stanowi jeden z poważniejszych czynników hamujących wprowadzenie opisanych wyżej procedur jako rutynowej metody leczenia SM u ludzi. chaper 8 POLISH SUMMARY 169

10 Rozdział 3 jest pierwszym rozdziałem eksperymentalnym. Nasze doświadczenia zaczęliśmy od uzyskania komórek ips poprzez wirusową indukcję ekspresji odpowiednich genów w wyizolowanych mysich komórkach skóry fibroblastach. Kolejnym etapem było potwierdzenie pluripotencji wygenerowanych linii komórkowych poprzez szereg badań in-vitro i in-vivo. Odpowiednio scharakteryzowane komórki ips zostały użyte do różnicowania w kierunku oligodendrocytów. Jako pierwsza grupa badawcza opracowaliśmy skuteczny protokół pozwalający zróżnicować komórki ips do prekursorowych komórek oligodendrocytów (OPCs; ang. oligodendrocyte precursor cells) a następ-nie, do wytwarzających mielinę, dojrzałych (funkcjonalnych) oligodendrocytów. Zdolność mielinizacji tak uzyskanych komórek została potwierdzona zarówno in-vitro jak i in-vivo, odpowiednio w eksperymentach z neuronami czuciowymi i po ich przeszczepieniu do mysiego modelu SM. Wykazując, że przeszczepione oligodendrocyty uzyskane z komórek ips są w stanie odbudować utraconą mielinę w modelu zwierzęcym, nasze badania potwierdziły zasadność pomysłu zastosowania tego rodzaju zabiegu jako potencjalnej strategii terapeutycznej u chorych na schorzenia demielinizacyjne, w tym SM. Problemem pozostaje jednak stosunkowo niska przeżywalność przeszczepionych komórek (ok. 20%). Jesteśmy przekonani, że w przyszłości wskaźnik ten można poprawić miedzy innymi dzięki optymalizacji samej procedury implantacji lub poprzez indukcję przejściowej ekspresji genów, które promowałyby przeżywanie i/lub ograniczały apoptozę w przeszczepianych komórkach. Modyfikacja genetyczna może być również stosowana do stymulacji specyficznej migracji przeszczepianych komórek w kierunku miejsc występowania uszkodzeń mieliny. W rozdziale 4 sprawdziliśmy, czy zwiększona ekspresja czynnika adhezyjnego PSA-NCAM (ang. polysialylated neural cell adhesion molecule) w prekursorach oligodendrocytów uzyskanych z komórek ips wpływa na poprawę ich zdolności migracyjnych. Zależność taka została wcześniej wykazana miedzy innymi dla innych komórek mających zdolność wytwarzania mieliny komórek Schwanna. W tym celu do komórek OPC wprowadzony został gen kodujący enzym przenoszący grupy kwasu polisialowego (PSA; ang. polysialic acid) na cząsteczki adhezyjne NCAM, które odgrywają ważną role w interakcji komórek z podłożem (macierzą zewnątrzkomórkową) oraz innymi komórkami. Zakotwiczone w błonach komórkowych cząsteczki NCAM udekorowane resztami PSA luźniej oddziałują z otoczeniem, przez co umożliwiają komórkom łatwiejszą migrację. Wykazaliśmy, że tak zmodyfikowane genetycznie komórki przejawiają istotnie zwiększoną zdolność do migracji zarówno in-vitro jak i in-vivo po przeszczepieniu do zdemielinizowanych mózgów w modelu zwierzęcym. Co ważne, genetycznie zmodyfikowane prekursory oligodendrocytów zachowały zdolność do samoistnego zmniejszenia ekspresji PSA-NCAM podczas dojrzewania 170 POLISH SUMMARY

11 do dojrzałych oligodendrocytów, co jest jednym z warunków koniecznych do efektywnej remielinizacji. Wyniki naszych badań nabierają szczególnego znaczenia w perspektywie klinicznego zastosowania egzogennych prekursorów oligodendrocytów w leczeniu SM, gdzie przeszczepione komórki, odpowiadając na sygnały płynące z otoczenia, będą musiały pokonywać duże odległości od miejsca transplantacji do licznych, rozsianych zmian patologicznych w obrębie OUN. Logiczną kontynuacją badań na mysich komórkach ips przedstawionych w poprzednich rozdziałach, są opisane w rozdziale 5 eksperymenty z wykorzystaniem komórek ludzkich. Jako jedna z pierwszych grup badawczych ustaliliśmy i zoptymalizowaliśmy procedurę umożliwiającą wydajne różnicowanie ludzkich komórek ips w kierunku prekursorów oligodendrocytów (OPC). Nasz protokół oparliśmy o jak najdokładniejsze odzwierciedlenie oligodendrogenezy in-vivo. Każdy etap różnicowania (od komórek pluripotentnych, poprzez komórki neuroepitelialne, prekursory oligodendrocytów aż do dojrzałych oligodendrocytów wytwarzających mielinę) został dokładnie scharakteryzowany na podstawie ekspresji białek specyficznych dla danego typu komórek. Dowiedliśmy również, że w warunkach laboratoryjnych oligodendrocyty powstałe z ludzkich komórek ips wytwarzają mielinę wokół nagich niezmielinizowanych aksonów komórek nerwowych. Ponadto, w mysim modelu demielinizacyjnym SM, stereotaktycznie przeszczepione ludzkie komórki OPC dojrzewały do funkcjonalnych oligodendrocytów i odtwarzały mielinę wokół aksonów ciała modzelowatego. W kolejnym mysim modelu stwardnienia rozsianego, koncentrującym się na autoimmunologicznym aspekcie choroby, transplantacja tychże komórek do komory bocznej mózgu spowodowała istotne zahamowanie objawów klinicznych. Co ciekawe, jedynie nieliczne przeszczepione komórki były w stanie przedostać się w okolice wywołanych chorobą zmian demielinizacyjnych. Sugeruje to, iż w tym modelu SM, naprawczy efekt nie jest udziałem bezpośredniej remielinizacji powstałych ran, ale raczej rezultatem systemowego, dobroczynnego wpływu wytwarzanych przez przeszczepione komórki czynników immunomodulacyjnych. Na potwierdzenie tej hipotezy zdołaliśmy ustalić, że ludzkie prekursory oligodendrocytów uzyskane z komórek ips charakteryzują się wysokim poziomem ekspresji czynników przeciwzapalnych i neurotroficznych. Opisane powyżej badania na mysich modelach SM wykazały, że przeszczepienie prekursorów oligodendrocytów zróżnicowanych z komórek ips może stanowić obiecujące podejście terapeutyczne do leczenia SM o działaniu zarówno przeciwzapalnym jak i wspomagającym remielinizację. Oczywistym jest jednak, że przed przystąpieniem do jakichkolwiek prób klinicznych, należy dokładnie przeanalizować szereg praktycznych aspektów związanych z samą procedurą transplantacji takich jak: sposób i miejsce przeszczepienia komórek, chaper 8 POLISH SUMMARY 171

12 odpowiednia liczba podawanych komórek, ich migracja i przeżywalność po przeszczepieniu, czy względy bezpieczeństwa (np. ewentualna możliwość powstawania nowotworów). Ustalenie tych parametrów nie jest możliwe przy wykorzystaniu modeli mysich. Znacznie bardziej pomocne są zatem badania wykonywane na małych zwierzętach naczelnych. Rozdział 6 przedstawia pierwsze, krótkie badanie pilotażowe z udziałem zwierząt naczelnych mające na celu przetestowanie części praktycznych aspektów transplantacji ludzkich prekursorów oligodendrocytów pochodzących z komórek ips. Modelem użytym w tym badaniu był autoimmunologiczny model EAE (ang. Experimental allergic encephalomyelitis) u marmozety zwyczajnej (Callithrix jacchus), który uważany jest za model zwierzęcy najwierniej oddający SM u ludzi. Komórki OPC zostały podane podpajęczynówkowo do zbiornika mózgowo-rdzeniowego (cisterna magna) zwierząt. Po 7 dniach, jedynie nielicznym komórkom udało się przeniknąć do miąższu mózgu w pobliżu miejsca transplantacji; większość znajdowała się w dalszym ciągu w przestrzeni przymózgowej. Co ważne jednak, badanie wykazało, iż możliwa jest generacja odpowiedniej liczby prekursorów oligodendrocytów z komórek ips, a także ustaliło, że komórki te są w stanie przeżyć przez określony czas w OUN zwierząt naczelnych. Nie odnotowano ponadto wystąpienia żadnych efektów ubocznych związanych bezpośrednio z procedurą transplantacji. Badanie to uwidoczniło również szczególne znaczenie wyboru odpowiedniego miejsca przeszczepienia komórek. W kolejnym przeprowadzonym badaniu, ten sam rodzaj komórek podawany był stereotaktycznie w pobliże zmian demielinizacyjnych zlokalizowanych przy użyciu rezonansu magnetycznego (badanie w trakcie realizacji). Obecnie trwają prace związane z analizą przeżywalności, migracji i aktywności (różnicowania i remielinizacji) przeszczepionych komórek. Mechanizm indukowania pluripotencji w dojrzałych komórkach somatycznych odkryty został w 2006 roku przez zespól naukowy, któremu przewodniczył Shinya Yamanaka. Ta nowa technologia natychmiast stała się jednym z najbardziej perspektywicznych narzędzi możliwych do wykorzystania między innymi w medycynie regeneracyjnej. Komórki ips uzyskiwane poprzez reprogramowanie komórek somatycznych (np. fibroblastów pochodzących ze skóry) posiadają cechy embrionalnych komórek macierzystych tj. możliwość nieustannych podziałów (nieśmiertelność) oraz zdolność do różnicowania we wszystkie wyspecjalizowane komórki ciała, nie budząc jednocześnie etycznych oraz praktycznych kontrowersji towarzyszących komórkom embrionalnym. Mogą one tym samym stanowić niezastąpione źródło autologicznych (własnych; pochodzących bezpośrednio od pacjenta) wyspecjalizowanych komórek użytecznych w leczeniu różnorakich schorzeń. Ze względu na całkowitą zgodność tkankową, transplantacja takich komórek, w przeciwieństwie do komórek pochodzących od embrionalnych komórek macierzystych, nie wymagałaby stosowania równoczesnej terapii immuno- 172 POLISH SUMMARY

13 supresyjnej, chroniącej przed odrzuceniem przeszczepu przez organizm biorcy. Dodatkowo, wyspecjalizowane komórki ciała (np. rożne rodzaje neuronów, czy oligodendrocyty) pochodzące od komórek ips uzyskanych od chorych, mogą służyć jako nieocenione narzędzie do badań mechanizmów chorobotwórczych w warunkach laboratoryjnych. W niniejszej pracy doktorskiej badano możliwości zastosowania komórek ips w leczeniu SM. Dowiedziono, ze prekursory oligodendrocytów, uzyskane z komórek ips, posiadają zdolność remielinizacji zarówno w warunkach in-vitro, jak i po ich przeszczepieniu do zwierzęcych modeli stwardnienia rozsianego. Obiecujące wyniki uzasadniają dalsze prace nad klinicznym zastosowaniem komórek ips u pacjentów z SM oraz z innymi schorzeniami demielinizacyjnymi. chaper 8 POLISH SUMMARY 173

14 ACKNOWLEDGEMENTS: Dear all, I would like to express my most sincere gratitude to everyone that I met on my PhD track. The completion of this thesis would not have been possible without your support. I would like to thank you for becoming part of my PhD life and I hope that our friendship will last way beyond my stay in Groningen. I am aware that, if I wanted to fully acknowledge everyone, the size of this chapter would become the biggest part of this thesis, easily beating the size of experimental chapters. Not to create an impression that PhD is mostly confined to enjoyable social activities (and not to spoil young researchers who might read this one day :) I will try to keep my acknowledgements rather brief. Please remember that I keep all the great memories of the last 5 years deeply in my mind. First and foremost, I would like to thank my promoters Prof. Erik Boddeke and Dr. Sjef Copray. I am really grateful that you gave me the chance to work on an exciting (and demanding) PhD project. Accepting me as your PhD student must have been an uneasy decision. The guy from the wild country far from the east has never been there in your lab before. You probably did not know what to expect from me first and that is why I am even more grateful that you have placed your confidence in me. I hope that, at least in part, I managed to pay back this great credit of trust. Sjef and Erik, it was a real pleasure to work with you. I appreciate the help and knowledge that you both offered to make this PhD complete. Sjef, thank you especially for teaching me how to perform surgeries on animals (I still remember you singing songs during operations), for countless hours that we spent together examining the tissue slices under the microscope and for your help with submitting papers. I appreciate that you were always there whenever we had to travel to our collaborators offering a ride to Maastricht or Rijswijk was never a problem for you. Most of all, thank you for being such a patient and understanding supervisor. Erik, I have learnt a lot from our meetings and discussions (not necessarily science-related). Being practical and not losing the big picture in a labyrinth of details are only few pieces of advice that I will surely keep in my mind. I appreciate you for motivating me during difficult periods of my PhD and for taking care that my PhD project stayed on track. I am also happy that I was able to get to know your outside-lab personality a gifted guitar player and a caring head of a family. I would like to acknowledge the members of the reading committee Prof. Sandra Amor, Prof. Wolfgang Brück and Prof. Mario van der Knaap for reading and approving my thesis. 174 ACKNOWLEDGEMENTS:

15 I express my sincere gratitude to all my collaborators in Rijswijk especially Prof. Bert t Hart (always positive, seeing the glass always half-full ) for enabling us work on marmoset EAE model, Dr. Yolanda Kap for taking care of practical and conceptual aspects of marmoset experiments, Dr. Anwar Jagessar for isolating marmoset fibroblasts for us; all the technical and veterinary staff for taking care of the animals. I would like to thank Prof. Christine Mummery and Dr. Christian Freund from Leiden Medical Centre for donating their human ipsc line, and Prof. Wolfgang Brück together with the members of his lab in Göttingen for collaborating in the pilot marmoset transplantation study. I would like to acknowledge Prof. Wia Baron for sharing DRG cultures with us and for critically evaluating the manuscripts. I especially thank all the current and former members of the Medical Physiology department for accepting me as part of the group and letting me feel at home. Trix it is not by chance that I start with you, after all zonder Trix gebeurt er niks. You are like the CPU (central processor) of the Medical Physiology. All the matters (small and huge) go through your office. You were always cheerful, never complaining about additional work that we were bringing, always willing to help. Actually you were the first person in the department that I met. Bart thank you for brining a little bit of fresh blood to our ips group and for being my companion on a visit to Cambridge. Marjolein thanks for helping me with my first steps in a cell culture lab. I was great to have a teacher and a friend like that. I hope that you had quit smoking for good :) Michiel thanks for explaining to me (and not letting forget:) what minimal techno is. Also for all the midipreps that you did for me this was one of these things that I never liked doing myself (Koen should also know about that :). Nieske many thanks for all your help with animal experiments I could always count on you. Also for letting me borrow your car when mine broke. Evelyn thanks for all the 384-well plates that you pipetted for me. And most importantly, congratulations on your new arrival!! Michel thanks for all the long hours spent on the 6 th floor taking amazing confocal pictures (see the cover of this thesis :). I enjoyed our talks about sport, mountains, weather and many other more exciting subjects that I can not mention here due to obvious reasons :). Loes thanks for keeping the tissue culture labs pleasant to work in and for all the efforts put into organizing the files of our transgenic cell lines. Ietje without you I would probably need to spend extra 2 years on slicing and processing tissue samples. Thank you for your invaluable help with that. Ellie thank you so much for cutting the marmoset brains for me. Rob, Inge, Wieb and Annelies although we did not work with each other directly, I could appreciate the knowledge from outside of molecular world that you shared with the lab. Also, thanks for being a great chaper 8 ACKNOWLEDGEMENTS: 175

16 source of information on Dutch culture. Rob and Inge, I hope that the Elfstedentocht year will finally happen. Tjalling our MacGyver of the lab. Thanks for being able to fix unfixable in no time. I enjoyed your classical music sessions outside of working hours Yess it could have been easily heard in my office. Arun and Koen, thanks for being my paranymphs. Arun a lot has changed when you became a lab member. Finally I had someone to talk to about the lab issues (including problems and frustrations) that only people working on ipscs could understand. What is also important, I started to move more. Thanks for teaching me how to play squash (I still hope to beat you one day ;) and dragging me out from the lab for basketball. I also enjoyed the real Indian food that you prepared for me and Kasia. Koen when you first came to our lab, you seemed to me as pretty arrogant and conceited I-know-everything-best kind of guy, with whom I will not be able to find the common language. Soon I realized that it was simply your specific way of manifesting intelligence :) Jokes aside, I was wrong and very quickly you became one of my closest buddies in the lab. Thanks for introducing me to the group of your close friends this pub-quiznight was legendary :) and for organizing Wednesday climbing (bouldering) evenings at GROPO. My greetings to the rest of the climbing team: Khayum, Wout, Makelaar and Duco. Duco you were the bridge between Sjef s and Bart s group. Thanks for all the interesting coffee break talks. Pity that holiday in Poland did not work out this year. Remember, my invitation does not have an expiry date. Divya and Kumar I am glad to be able to call you my Tamil friends. Divya, thanks for being so supportive during uneasy PhD moments and for organizing delicious Indian dinner at Tjalling s place (tribute also to other contributors). I will always remember that two glasses of wine is the limit after which I start to worry whether you reach your house safely :) Kumar thanks for being my guide and teacher at the beginning of my PhD time. Thanks for all the stories about India that we heard from you during coffee/cigarette breaks. Ming-San I always thought that your day is not 24, but at least 48 hours. How otherwise can you combine working on your PhD, job in the hospital, extra dentistry studies, medical internships and still make time for your hobbies composing and playing the violin. Thanks for making me realize how good Polish composers we have and for your lectures on healthy food. Thank you for a tasty dinner that you made for me and Kasia I am sure it was prepared entirely from bio/eco/organic/gmo-free products. Ria thank you for being such a good companion during all the MS research days, labuitjes and parties and for being a great office-mate. I always enjoyed or conversations no matter the subjects sometimes very abstract or deep, sometimes simply complaining 176 ACKNOWLEDGEMENTS:

17 about our favorite makelaar Zeeven :) Wandert since I left Groningen, it is much quieter in my life. I would say disturbingly quiet :) I miss your positive energy and constant noise-making. Thanks for winning all the bowling trophies for our office. I wish you and Laura lots of luck and happiness and I hope for an invitation to Spain finally I need to taste the wine from your winery. Zhilin, Zhuoran and Suping three different personalities, but having one thing in common being always enthusiastic and positive. Thanks for serving us snacks on Chinese New Year and teaching some Chinese pronunciation (I was really bad at that). Suping, thank you for all these long hours helping me with animal surgeries I would not be able to do it without you. Ilia thanks for organizing basketball outings (check your files I might still owe you some money :). Thank you also for your enormous help with EAE experiments. Inge great that you could provide an excellent musical setting for many of our parties. Good luck with your career in bioinformatics and perhaps also in football. Thaiany, Michele, Thais thanks for introducing a touch of hot, Brazilian climate to our department. I really liked the genuine Brazilian dishes that you prepared for us. Good luck with your projects in Groningen and Sao Paulo hopefully one day I will be able to visit you in Brazil. Greetings to all the newcomers to the 8 th floor (actually some of you are there for more than a year now; it was me who did not hurry up with finishing the thesis :). Alain, Corien, Rianne, Xiaoming good luck in your professional and personal life. Special greetings to the new PIs in the department: Prof. Jon Laman and Dr. Armagan Kocer I hope that the work in a new environment will bring many new, successful ideas and inspirations. Armagan I wish I could be there for a Sinterklaas party this year. Many thanks to ex-lab members and friends that already left Groningen: Hilmar, Marloes & Dominik, Marta & Falak, Sham, Fabrizio & Timea, Jonathan & Serena, Reinhard & Romy, Carlos & Ulrike, Daniele, Vishnu, Xin. Maybe I will finally open Facebook account to get back in touch with you guys. So many unforgettable moments spent together: De Pintelier, labdays, Noorderzons, poker evenings, barbeques, spare ribs eating contests etc. Reinhard thanks for a bicycle rides well even on Polish bumpy roads. Romy we still have this hibiscus flower that we got from you it blossoms incredibly each year. Vishnu congratulations on your marriage. I await an invitation to India one day :) chaper 8 I would like to thank all the present and former master students at Med Fys: Carlyn, Silvia, Liam, Elisa, Thais, Darvin, Juul, Marindi, Sabrina, Ola (forgive me that I could not remember you all I am over 30, my brain storage capacity is declining rapidly). Special thanks to Christian, Katja and Lasse, whom I supervised. You did a really good job and we have published papers as a reward. ACKNOWLEDGEMENTS: 177

18 I thank my colleges form other departments: 5 th floor (Kasia, Vaishali, Melania, Aleksandra, Evgenia, Sarah); 10 th floor (Mirjana, Hande, Erik, Josephine, Marjolein, Charlotte, Jing) especially for their precious DRG cultures and their understanding whenever I needed to borrow antibodies, growth factors, chemicals etc.; Hospital (Nato, Niels, Nikola, Pallavi, Marco & Cecilia, Susan, Sarah, Szabolcs, Milind, Niek, Jan); Zernike (Toni, Davide) keep climbing! Thanks to FACS facility team: Geert, Hank, Roelof Jan for many long sorting sessions; and Animal facility staff, especially: Catriene, Miriam (for supervision), Natascha, Maurice, Sander (for taking care of my animals). Special thanks go for the staff of BCN graduate school Britta, Diana, Janine, Evelyn, Michiel thank you for taking care of various BCN activities (especially BCN retreats ;), not forgetting about Sinterklaas gifts for bursary students and being always helpful with whatever formal thing we approached. Gerry thank you for your help with financial matters. Many thanks to the members of the Polish Tsunami in Groningen: Marta, Iza, Kasia & Antek, Paulina, Monika, Piotr, Małgosia, Ewa, Magda, Kamil, Małgosia, Asia. Thank you for all the get-togethers, birthday parties, watching football games together etc. Marta good luck with your future medical career. Hope to repeat the wine-drinking craziness one day :) Iza & Bartek we keep in close contact after all, it is just half an hour drive. Kasia & Antek thank you for collecting patients skin biopsies for my experiments. I really enjoyed the Polish dinner and a barbeque at Noorderplantsoen together. I wish I had met you earlier during my PhD. Good luck with your careers in the Netherlands. Paulina keep smiling :) good luck with finishing your PhD. I would like to thank my parents and parents-in-law. Kochani rodzice, dziękuję przede wszystkim za wasze nieustanne wsparcie i wiarę w moje możliwości. Dzięki, że zawsze mogłem na was liczyć i że tak często odwiedzaliście nas w Holandii. Finally, I would like to thank the most important person in my life my dearest wife. Kasia, all this would never be possible without you. Thank you for your sincere love, support and understanding. I love you! Marcin 178 ACKNOWLEDGEMENTS:

19 CURRICULUM VITAE Marcin Czepiel was born on 2 nd of August 1984 in Żywiec, Poland. After completing his secondary school education in 2003, he started studies at the Jagiellonian University (Krakow, Poland) in the department of Biochemistry, Biophysics and Biotechnology. He specialized in Medical Biotechnology and conducted his master research project under supervision of Dr. Jarosław Czyż. In 2008 he defended his master thesis entitled Influence of culture substrata modified with extracellular matrix proteins on the expression of connexins and the function of gap junctions in sarcoma and carcinosarcoma cell populations. As a master student, he also participated in Erasmus exchange program and within its frame he spent six months in the Laboratory for Stem Cell Research at Aalborg University (Denmark). Under the supervision of Prof. Vladimir Zachar he was investigating the influence of hypoxia on self-renewal and differentiation of human embryonic stem cells in the project entitled Role of oxygen in the process of differentiation of human embryonic stem cells and the involvement of Notch1 receptor in this processes. In January 2009 he started his PhD studies at the University of Groningen (the Netherlands). He joined the department of Neuroscience, section Medical Physiology and conducted his research under supervision of Prof. Erik Boddeke and Dr. Sjef Copray. His main research interest focused on the potential application of the induced pluripotent stem cell (ipsc)-derived oligodendrocytes in the treatment of multiple sclerosis. chaper 8 CURRICULUM VITAE 179

20 ABBREVIATIONS CELL POPULATIONS: EBs ipscs hipscs hescs MEFs MSCs NSCs OECs OPCs PBMCs embryoid bodies induced pluripotent stem cells human induced pluripotent stem cells human embryonic stem cells mouse embryonic fibroblasts mesenchymal stem cells neural stem cells olfactory ensheathing cells oligodendrocyte precursor cells peripheral blood mononuclear cells GROWTH FACTORS: BMP bone morphogenetic protein BDNF brain-derived neurotrophic factor CNTF ciliary neurotrophic factor EGF epidermal growth factor FGF2 fibroblast growth factor 2 GDNF glial cell derived neurotrophic factor HGF hepatocyte growth factor IGF-1 insulin-like growth factor 1 IL-6 interleukin 6 LIF leukemia inhibitory factor NT-3 neurotrophin 3 PDGF platelet-derived growth factor Shh sonic hedgehog T3 triiodothyronine TGFβ Transforming growth factor β VEGF vascular endothelial growth factor CELL MARKERS: AP CNPase GalC GFAP MAG MBP alkaline phosphatase 2,3 -cyclic nucleotide 3 phosphodiesterase galactosylceramidase Glial fibrillary acidic protein myelin associated glycoprotein myelin basic protein 180 ABBREVIATIONS