Stamceller: Analysera kön

The Challenge

Biological sex is commonly studied as a variable in research with humans, but analyzing sex is rare in animal research and rarer still in cell-based research (Beery et al., 2011). This deficiency can represent a lost opportunity to understand basic and developmental biology, and to refine cell-based therapies.

Method: Analyzing Sex

Sex should be analyzed at all levels, from chromosomes and cells to whole organisms. Taking sex into account has led to novel questions about stem cells. Analyzing sex involves:

1. Designing research to use cells of both sexes in sufficient quantities to detect or rule out sex differences (not all sex differences will be significant).
2. Reporting the sex of cells used in experiments.
3. Recording, formatting, and analyzing data to allow for systematic review and meta-analysis. Reviews can identify gaps in knowledge (when, for example, experiments have involved cells of only one sex). Meta-analysis can increase statistical power and may allow sex analysis even in the absence of two-sex studies.

Gendered Innovations:

1. Identifying Sex Differences in Stem Cell Characteristics. Research using animal models has shown that the sex of stem cells may influence therapeutically relevant cell traits, such as proliferation and differentiation rates.
2. 2. Understanding Differences within and between XX and XY Stem Cells. Discoveries about interactions between genetics, hormonal environments, and epigenetics have improved the understanding of stem cell biology.
3. 3. Improving Clinical Guidelines for Stem Cell Therapies. By formulating research questions about the importance of donor and recipient sex (along with other factors that interact with sex) in hematopoietic stem cell transplantation, researchers have gathered data relevant to improving clinical guidelines for this stem cell therapy.

Utmaningen
Innovation med genusperspektiv 1: Identifiera könsskillnader hos stamcellers egenskaper
Innovation med genusperspektiv 2: Förstå skillnader mellan XX- och XY-stamceller
Metod: Analysera faktorer som relaterar till kön
Innovation med genusperspektiv 3: Förbättra kliniska riktlinjer för stamcellsbehandlingar
Metod: Formulera forskningsfrågor
Konklusioner
Nästa steg

Utmaningen

Genom att beakta kön som en variabel man få bättre grundkunskaper om stamceller – som uppvisar potentiella könsskillnader i medicinska behandlingar och könsskillnader i receptormedierade utvecklingsvägar. Grundläggande kunskap om stamcellsbiologi är viktigt för ett av de mest aktiva områdena inom stamcellsforskningen: inducerade pluripotenta celler från vuxna patienter och använda dessa celler för att reparera eller bygga organ.

Innovation med genusperspektiv 1: Identifiera könsskillnader hos stamcellers egenskaper

Forskning där kön används som variabel har avslöjat könsskillnader i egenskaperna hos vissa adulta stamceller. Några av fynden:

1. Skillnader i aktiveringen av mesemkymala stamceller (MSC)
   Mesenkymala stamceller, som kan hämtas från benmärg och andra vävnader, kan differentieras till ben, fett, muskler, bindväv och brosk (Oreffo et al., 2005). Crisostomo med kollegor visade att det finns könsskillnader i aktiveringen av mesemkymala stamceller (MSC). Forskare stressade MSC från gnagare in vitro med syrebrist, lipopolysackarider (LPS) och väteperoxid: de kunde visa att "aktiveringen" skiljde mellan cellkönen: XX-celler producerade mer vaskulär endotelial tillväxtfaktor (VEGF, som gynnar cellprolifirering) och mindre tumörnekros faktor alfa (TNF-α, som gynnar inflammation och programmerad celldöd) än XY-celler (Crisostomo et al., 2007).

2. Skillnader i muskelstamcellers (MDSC) regenerativa förmåga
   Muskelstamceller har kapacitet att reparera både hjärta och skelettmuskler. De kan också vara användbara i behandlingen av muskeldystrofi, där befintliga behandlingar har begränsad effekt (Jankowski et al., 2002).

   MDSC-cellinjerna uppvisar variabilitet i sin generativa förmåga. Deasy et al. visade på mdx-möss, som utvecklar muskeldystrofi spontant, att cellkönet, oberoende av andra variabler som immunförsvar och exogena östrogeneffekter, starkt påverkar den genererande förmågan. Mekanismen bakom dessa skillnader är föremål för aktiv forskning.

   Deasy et al. fann signifikanta könsskillnader i regenereringsförmågan in vivo, där XX-celler hade ett högre regenereringsindex (RI) än XY-celler. Vid in vivo-studierna utnyttjade forskarna det faktum att mdx-mössens muskelfibrer saknar proteinet dystrofin; forskarna fastställde RI genom att kvantifiera muskelfibrerna som genererats av stamceller (dvs. de med dystrofin). Även om alla MDSC kunde differentiera till dystrofin-uttryckande fibrer in vitro, var det endast XX MDSC som kunde regenerera robust in vivo (Deasy et al., 2007).
   

Dessa könsskillnader kan vara relevanta ur behandlingssynpunkt. Det finns dock många variabler förutom könets påverkan på cellers beteende, och eftersom de huvudsakliga egenskaperna hos en "perfekt" celltyp skiljer sig beroende på aktuell behandling, innebär inte sådana skillnader att celler med ett visst kön i allmänhet är bättre ur behandlingssynpunkt än celler av det andra könet. Inom klinisk forskning med stamceller finns en "brist på direkta jämförelser mellan olika celltyper i tydligt definierade och kliniskt relevanta sjukdomsmodeller” (Zenovich et al., 2007).

Innovation med genusperspektiv 2: Förstå skillnader mellan XX- och XY-stamceller

Med vetskapen om att könsskillnader existerar i stamceller försökte forskarna klarlägga orsaken till dessa skillnader, ett arbete som krävde att andra faktorer analyserades (se Metod).

Metod: Analysera faktorer som relaterar till kön och genus

Forskare som analyserade kön hade observerat skillnader mellan XX och XY-stamceller, men en djupare förståelse av stamcellsbiologin kräver närmare studier av kovariater. Observerade könsskillnader kan uppstå på flera sätt:

1. Genetik: Kvinnliga och manliga stamceller har olika karyotyp och skiljer sig därför genetisk, men det finns även genetiska variationer mellan celler av samma kön – alla XX-celler och XY-celler är inte likadana. Inom stamcellsforskningen är det viktigt att studera kovariaterna för genotyper och undersöka skillnader både mellan kön och inom kön.
2. Hormonell miljö: Stamceller är känsliga för den hormonella miljön, som ofta innehåller könshormoner, men även andra hormoner. Hormoner kan ha både övergående och permanenta effekter på stamceller, vilket gör den hormonella miljön en nödvändig kovariat till kön (Asselin-Labat et al., 2010).
3. Epigenetik: DNA-sekvensen hos en stamcell påverkas inte under cellens livstid och förändras sällan av miljöfaktorer. Genuttrycket kan dock förändras ofta och dramatiskt. Sådana förändringar är anledningen till att genetiskt identiska stamceller kan differentiera till funktionsmässigt olika somatiska celler. Dessa förändringar är ärftliga, och även om celler odlas in vitro i identiska hormonella miljöer, kan observerade skillnader inte antas härröra endast från en genetisk sekvens. Miljöerna i vilka dessa cellers föregångare utvecklades kan ha skapat epigenetiska skillnader, och de är viktiga kovariater (Ohm et al., 2009).

Gå till Metoder – allmänt

Multivariata studier inkluderar kön som en variabel bland många. Det är viktigt att testa för interaktioner mellan kön och andra prediktorer för resultatet under studien. Utan sådana tester kan det hända att variabiliteten attribueras till kön när den skillnaden egentligen beror på en annan faktor. Denna felaktiga attribuering kan leda till överbetoning av könsskillnader. Analyser av kovariater har visat följande:

1. Arttillhörighet påverkar stamcellsbeteendet och resultat från djurmodeller är inte nödvändigtvis tillämpliga på människor. När exempelvis pluripotens induceras hos XX-fibroplaster från gnagare uppvisar de resulterade pluripotenta stamcellerna (iPSC) en reversering av X-inaktivering, med två aktiva X-kromosomer. När humana XX-fibroblaster behandlas för att inducera pluripotens uppvisar de humana iPSC:erna en aktiv och en inaktiv X-kromosom (Tchieu et al., 2010).
2. I musmodeller av muskulär dystrofi, har både donatorcellens kön och mottagardjurets kön betydelse. Multivariata analyser visar att XX MDSC främjar regenerering mer än XY MDSC (oavsett mottagarens kön) och att mottagande hondjur genomgår en större regenerering än mottagande handjur (oavsett donatorcellens kön). I mdx-modellen av muskulär dystrofi skulle matchning av donatorkön till mottagarkön inte vara en optimal strategi för att gynna muskulär regenerering: XX-stamceller är ett bättre behandlingsalternativ för både honor och hanar (Deasy et al., 2007).

   Ytterligare experiment med immunförsvagade möss tyder på att effekten av värdens kön (men inte effekten av cellens kön) moduleras immunologiskt: Forskare "observerade inga signifikanta skillnader som ett resultat av värddjurets kön" hos djur med immunbrist, "men den signifikanta skillnaden som resultat av cellkön kvarstod” (Deasy et al., 2007).

3. Även när kön är en statistiskt signifikant prediktor för stamcellsbeteende, är inte alla cellinjer likadana inom samma kön. Mus-MDSC uppvisar signifikant variation för regenereringspotentialen inom samma kön (Deasy et al., 2007).

   Studier av den 17 mänskliga embryonala stamcellslinjerna som vanligen används inom forskning (varav 9 är 46,XX och 8 är 46,XY) har visat att olika linjer har olika tendenser att utvecklas till olika typer (Osafune et al., 2008). Dessa karakteristika kan inte förutsägas enbart på grundval av karyotypiskt kön (Cowan et al., 2004).

4. Hormonell miljö samverkar med stamcellens kön. Förhållandet mellan stamceller och hormoner är komplext. Man måste ta hänsyn till den hormonella miljön inom vilken en cell eller dess föregångare utvecklades, samt dess nuvarande miljö, oavsett om det är in vitro eller in vivo.

   En granskning av Ray et al. (2008) visade att könshormoner påverkar egenskaperna hos många typer av stamceller, med effekter som varierar efter celltyp:

Innovation med genusperspektiv 3: Förbättra kliniska riktlinjer för stamcellsbehandlingar

När en patients egna stamceller inte kan användas terapeutiskt, beror en lyckad stamcellstransplantation på analysen av interaktioner mellan 1) de använda donatorcellernas kön; 2) värdens kön; 3) typen av transplanterade stamceller; och 4) den sjukdom som behandlas (se Metod).

Metod: Formulera forskningsfrågor

Upptäckter om interaktionerna mellan arter, stamcellskön, mottagarkön och hormonella och immunologiska variabler hos djur och inom in vitro-forskning har fått forskare att formulera frågor kring stamcellsbehandlingar för människor. För närvarande är den enda stamcellsbehandlingen inom standardmedicinen blodstamcellstransplantation (HSC) som framför allt används för att behandla maligna sjukdomar, men också för patienter med immunbrist eller aplastisk anemi (Gratwohl et al., 2010).

Gå till Metoder – allmänt

En studie av 1 386 patienter som genomgick HSC-transplantation vid ett och samma medicinska center (cirka 75 procent för leukemi och återstoden för andra tillstånd) visade att könsmatchning mellan donatorer och mottagare korrelerade med bättre överlevnadsgrad generellt, även om HSC från manliga donatorer associerades med bättre överlevnad på lång sikt (Pond et al., 2006).

I behandling av barnleukemi ger transplantation av blodstamceller från en kvinnlig donator till en manlig mottagare resultat som är "ogynnsamma i jämförelse med alla andra könskombinationer” och “usla i närvaro av en MM (Human Leukocyte Antigen Mismatch).” Graviditet hos donatorn påverkade också; när stamceller hämtas från gravida donatorer och ges till manliga patienter ökar risken för transplantat-mot-värdreaktioner (Gustaffson et al., 2004).

Donatorns och mottagarens kön interagerar med sjukdomstypens kovariat. När man behandlar multipelt myelon med hematopoetisk stamcellstransplantation kan celler från kvinnliga donatorer ge bättre resultat. Dödligheten hos kvinnliga patienter som får kvinnliga hematopoetiska stamceller är lägre än hos kvinnor som behandlats med manliga hematopoetiska stamceller. För manliga patienter med multipelt myelon hade dontatorcellernas kön ingen signifikant påverkan på dödligheten, men det påverkade formen av dödlighet. För manliga patienter som behandlats med hematopoetiska stamceller från män var sannolikheten större att de skulle avlida av myelomåterfall, medan det för manliga patienter som behandlats med hematopoetiska stamceller från kvinnor var större sannolikhet att de skulle avlida av andra orsaker än återfall, exempelvis transplantat-mot-värdreaktioner (Gahrton et al., 2005).

System för att matcha patienter mot donatorer för allogena hematopoetiska stamceller tar numera hänsyn till donatorns och patientens kön, parallellt med en rad andra faktorer, för att uppnå bästa möjliga resultat (Lee et al., 2007).

Konklusioner

Forskare som analyserade och rapporterade om kön på cellnivå identifierade könsskillnader i cellbeteende som kan vara relevanta för utvecklingen av medicinska behandlingar. Fynden bidrog till att forskare undersökte orsakerna till könsskillnader och upptäckte både hormonella och genetiska faktorer som styr stamcellsbeteendet. Vid blodstamscellstransplantation – den enda stamcellsbehandlingen med spridd användning – har kliniker samlat in data om interaktioner mellan donatorkön, mottagarkön och andra kovariater för att kunna optimera donator-patientmatchningen för allotransplantat.

Nästa steg

Inom grundforskning bör forskare vara medvetna om vikten av kön som variabel och också identifiera karyotypen hos celler som används när de rapporterar forskningsresultat. Både resultat och avsaknad av förväntade resultat bör rapporteras (se Analysera kön). Det är viktigt att rapportera cellkaryotyp, oavsett om det finns könsbaserade skillnader eller inte, eftersom den information skapar möjligheter till sekundär forskning och metaanalyser. Anslagsgivande organ och tidskriftsredaktörer kan uppmuntra till sådan rapportering genom riktlinjer för anslag och publicering.

A 2011 study at Mayo Clinic showed that the sex of the cell is not reported in most basic research (see chart). Not analyzing the sex of cells is money wasted. It is research lost to future meta-analysis.

Stem cell therapies hold great promise for treating debilitating diseases, such as Parkinson's disease and muscular dystrophy. Not taking the sex of the cells into account can lead to life-threatening consequences and leave researchers with unsolved puzzles. Take for example the problems an international collaboration between labs in Norway and Australia encountered working with bone marrow stem cells in mice. Researchers in the labs appropriately used both male and female mice (excellent research design), but they used all female stem cells without considering why. This is an unconscious decision that does not reflect best scientific practice. The result was that their male mice died, and they did not understand why.

Research has documented potential sex differences in the therapeutic capacity of stem cells. Muscle-derived stem cells, for example, show variability in proliferation and differentiation. Researchers found that XX cells showed a higher regenerative capacity than XY cells. This may constitute an important clinical finding, but requires further investigation.

Researchers should consider all combinations of donor/recipient sex interaction before ruling out sex as a variable. This type of donor/recipient analysis is also important in human organ transplant.

Gendered Innovation

Once the Norwegian and Australian labs considered all possible combinations of sex in donor/recipient interaction, they had greater success with their experiments. But research can't stop there. Other variables, such as stem cell type, the disease being treated, and hormonal and environmental factors, interact with sex to impact outcomes.