Basic knowledge of stem cell and gene therapy

1. Methee Sriprapun, PhD
Faculty of Medical Technology
Huachiew Chalermprakiet University
Molecular application in stem cell and gene therapy

2. Objectives
ความหมาย อธิบายลักษณะ รวมถึงจัดจาแนก stem cell แต่ละประเภทได้ อธิบายการประยุกต์ใช้ stem cell ในงานต่างๆ ได้
เข้าใจและอธิบายความหมายของgene therapy ได้ ยกตัวอย่างการประยุกต์ใช้ gene therapy ในทาง การแพทย์ได้

3. Stem cell (เซลล์ต้นกำเนิด)
ถูกค้นพบครั้งแรกในไขกระดูกของหนูในปี
2503
เซลล์ตัวอ่อนของสิ่งมีชีวิตที่มีลักษณะดังต่อไปนี้
•Self-renewal
•Unspecialized
•Differentiable
(Alberts, 2008)

4. Stem cell classification
Potential classification
- Totipotent stem cell
- Pluripotent stem cell
- Multipotent stem cell
Origin of stem cell
- Embryonic stem cell (ES cell)
- Adult stem cell

5. Totipotent stem cell
High potential cells to develop into many cell types of human body
Derive from zygote
Can develop to pluripotent stem cell
Moral and ethical problem !
Used in research and cloning
: Dolly sheep
http://withfriendship.com/user/kethan123/dolly-sheep.php

6. http://www.scq.ubc.ca/stem-cell-bioengineering/

7. Pluripotent stem cell
Found in blastocyst
Derive from totipotent stem cell
Can develop into 3 layers and many cell types
- Ectoderm, mesoderm and endoderm
Not develop into extra embryonic tissue: placenta
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Germ_layers.png

8. http://www.csa.com/discoveryguides/stemcell/overview.php

9. http://www.liferesearch.com/research-area/stem-cells.html

10. Multipotent stem cell
Adult stem cell
Develop into many cell types in the same or nearly lineage
Hematopoietic stem cell: WBC, RBC, platelets
Can develop into only 1 specific cell type
Self-renewal property, multipotent stem cell ???
Progenitor cell

11. http://biomed.brown.edu/Courses/BI108/BI108_2005_Groups/07/background.htm

12. Stem cell & Progenitor cell
Based on cell division
Stem cell :
symmetry and asymmetry
Progenitor cell :
only specialized cells

13. Stem cell classification
Potential classification
- Totipotent stem cell
- Pluripotent stem cell
- Multipotent stem cell
Origin of stem cell
- Embryonic stem cell (ES cell)
- Adult stem cell

14. Embryonic stem cell (ESC)
Inner cell mass of blastocyst in embryo stage (4-5 days after fertilization)
Pluripotent stem cell
ปัจจุบันยังไม่มีการใช้รักษาผู้ป่วย ปัญหาทางจริยธรรม ศีลธรรม  การเก็บ stem cell ต้องทาให้ ตัวอ่อนตาย
ควบคุมการเติบโตยาก  “teratomas”  tumors

15. Teratoma
http://www.stembook.org/node/723

16. Adult or somatic stem cell
Found in many tissues or organs including umbilical cord blood
แบ่งตัวทดแทนเซลล์เดิมที่ถูกทาลาย
Multipotent or progenitor cells
แหล่งที่พบมาก: bone marrow &
cord blood
Stem cell therapy & research
“Plasticity or transdifferentiation”
http://learn.genetics.utah.edu/content/tech/stemcells/quickref/

17. (O’ Connor TP & Crystal RG, Nat. Rev. Genet. , 2006)

18. Hematopoietic stem cell (HSC)
•Bone marrow, cord blood
•พัฒนาเป็นเซลล์เม็ดเลือดต่างๆ
http://stemcells.nih.gov/info/scireport/pages/chapter4.aspx

19. Mesenchymal stem cell (MSC)
•Multipotent stem cell in BM
•Develop into osteoblasts, chondrocytes, adipocytes, etc.
(Uccelli A, Moretta L & Pistoia V, Nat. Rev. Immunol. , 2008)

20. Other adult stem cells
Neural stem cell: brain & spinal cord
Epidermal progenitor cell: epithelium
http://www.texasrighttolife.com/lifeIssues_stem_cell_types.html

21. How to collect adult stem cell
เก็บจากโลหิตในรกและสายสะดือจากการคลอด : ต้องเก็บทันทีหลังจาก ทารกคลอด จากนั้นแช่แข็งไว้ที่ -196 C (umbilical cord blood stem cell) เก็บจากกระแสเลือด : สภาวะปกติจะพบน้อย  ใช้ยากระตุ้นให้ออก จากไขกระดูกเช่น G-CSF จากนั้นจึงเจาะเก็บโดยการเจาะเลือดและเก็บ ผ่าน เครื่อง Apheresis (peripheral blood stem cell) เก็บจากไขกระดูก : ต้องเจาะจากไขกระดูก (bone marrow stem cell)

22. Cell therapy
Regenerative medicine
การให้เซลล์ต้นกาเนิดหรือเซลล์ใหม่เข้าไปแทนที่เซลล์เดิมที่ ถูกทาลายหรือสูญเสียการทางาน
The goals of cell therapy
Repair Replace
Restore Regenerate

23. Applications of stem cells
โรคเสียงแหบ: ไทยเป็นประเทศแรกของโลกที่นา stem cell มารักษาได้
มหิดล+รามาฯ+
U of Wisconsin, USA
ปัจจุบันมีผู้เข้ารับการรักษา
แล้ว 6 ราย
http://www.mahidol.ac.th/th/reward/22.htm

24. Applications of stem cells (2)
โรคแผลขาดเลือด: กระตุ้นให้มีการสร้าง
หลอดเลือดใหม่
โรคหัวใจ : รักษากล้ามเนื้อหัวใจตายจาก
หลอดเลือดตีบตัน
http://ramacme.ra.mahidol.ac.th/th/?q=node/18
http://www.oknation.net/blog/print.php?id=198815

25. http://en.wikipedia.org/wiki/File:Stem_cell_treatments.svg

26. Thalassemia : ใช้ cord blood stem cell
Leukemia เช่น Acute & chronic leukemia
Heredity metabolic diseases
Alzheimer’s disease
DM
Muscular dystrophy, etc.
Applications of stem cells (3)
http://www.csa.com/discoveryguides/stemcell/overview.php

27. http://www.csa.com/discoveryguides/stemcell/overview.php

28. Gene therapy
Gene or fragmented gene delivery into patient’s cells
Instead of defective or abnormal gene
First research: severe combined immunodeficiency disorder (SCID) in 1990
http://web.alsa.org/site/PageServer?pagename=ALSA_Gene_Therapy

29. หลักการพื้นฐานของการรักษาระดับยีน
Genotypic & phenotypic changes of inserted gene in cells
The control of inserted gene expression
Suitable cells for gene therapy: avoiding germ cells
Appropriate gene delivery system
Efficiency of target cell for dividing and survival

30. How to deliver gene for therapeutic purpose
http://stemcells.nih.gov/info/Regenerative_Medicine/Pages/2006Chapter4.aspx

31. Vector for gene delivery
Viral delivery system:
retrovirus, adenovirus, adeno-associated virus,
vaccinia virus, Herpes simplex virus
(Sheridan C. Nat. Biotech. 29(2), 2011)

32. Vector for gene delivery (2)
Nonviral delivery system
- Liposome : เข้าเซลล์
โดย endocytosis
- Naked DNA & conjugated DNA
http://www.intechopen.com/source/html/43292/media/image2.jpeg

33. How to deliver gene into target cell
Transduction:
ใช้ไวรัสเป็นพาหะนายีนเข้าเซลล์
Transfection:
นาสาย DNA อิสระเข้าเซลล์โดยตรง
วิธี calcium phosphate-mediated transfection
endocytosis or electroporation
: eukaryotic cells
http://www.intechopen.com/source/html/43292/media/image1.jpeg

34. Lipofection: ใช้ lyposome เป็นตัวพาเข้าไป: eukaryotic cell
Microinjection: เป็นการฉีดเข้าไป
ที่เซลล์โดยตรง eykaryotic cell
High energy bombardment:
DNA เคลือบบนอนุภาคทองคาแล้วยิงเข้าเซลล์
http://images.tutorvista.com/content/biotechnology/micro-injection-process.jpeg

35. โรคที่มีการรักษาด้วย gene therapy
Genetic diseases: cystic fibrosis
Canavan disease, etc.
Congenital genetic disorders (diseases): pyruvate kinase deficiency (PKD)
DM, cancer
Infectious diseases: viral infection
such as HIV
http://vectorblog.org/wp-content/uploads/2011/04/Illustration-1-Gene-Therapy-Final-Draft_small.jpg

38. Stem cell & gene therapy
(Power C & Rasko JEJ, Ann Intern Med:2011)

39. References
อมรพันธุ์ เสรีมาศพันธุ์. กาเนิดและชีวิตของเซลล์ในเนื้อเยื่อ ใน:เซลล์ชีววิทยาทางการแพทย์ 2 กลไกการทางานของเซลล์ และเนื้อเยื่อ. กรุงเทพฯ: ภาควิชาชีวเคมี คณะแพทยศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย; 2549. ประเสริฐ ผลิตผลการพิมพ์. สเต็มเซลล์ ดีเอ็นเอ และชีวจริยธรรม. พิมพ์ครั้งที่ 1. กรุงเทพฯ: มติชน; 2549. สมศักดิ์ วรคามิน. Stem cell Hope for the Hopeless (สเต็มเซลล์ ยาเพื่ออนาคต).พิมพ์ครั้งที่ 1.กรุงเทพฯ: สามเจริญพาณิชย์; 2552. จีรเดช มโนสร้อย, อรัญญา มโนสร้อย, ยงยุทธ โรจนสกุล. การรักษาในระดับยีน. พิมพ์ครั้งที่ 1. กรุงเทพฯ:โอ เอส พริ้น ติ้ง เฮาส์; 2547.
http://vet.kku.ac.th/kvac10/converted/conf2/003.pdf
http://www.thaistemlife.co.th/pdf/THAIStemLifestemcellsgeneralTHAI.pdf
http://www.vcharkarn.com/varticle/18516
http://chinchongcha.wordpress.com/2010/07/31/gene-therapy/ ปีติ ธุวจิตต์. การรักษาโรคพันธุกรรม:พื้นฐานจีนบาบัดและการบาบัดด้วยเซลล์ต้นกาเนิด ใน:ตาราพันธุศาสตร์ทาง การแพทย์. พิมพ์ครั้งที่ 3.ขอนแก่น: คลังนานาวิทยา; 2551.