Po podaniu dużych dawek chemioterapii w leczeniu raka, konieczna jest infuzja komórek macierzystych w celu zapewnienia odzyskania funkcji szpiku kostnego i produkcji czerwonych krwinek, białych krwinek i płytek krwi. Historycznie, komórki macierzyste były pobierane ze szpiku kostnego, jednakże wiele ośrodków onkologicznych przyjęło ostatnio praktykę pobierania komórek macierzystych z krwi obwodowej. Autologiczne komórki macierzyste muszą być pobrane od pacjenta przed rozpoczęciem leczenia dużymi dawkami chemioterapii. Pobrane komórki macierzyste są następnie zamrażane i mogą być przechowywane przez wiele lat. Komórki macierzyste mogą być również przetwarzane w sposób, który usuwa komórki nowotworowe i/lub próbuje aktywować komórki odpornościowe w kolekcji komórek macierzystych w celu leczenia raka.
Zbieranie komórek macierzystych ze szpiku kostnego jest bezpiecznie wykonywane od ponad 30 lat. Pobranie szpiku kostnego jest stosunkowo proste i zazwyczaj odbywa się na sali operacyjnej. Podczas pobierania szpiku kostnego, pacjenci otrzymują znieczulenie ogólne. Następnie chirurg wkłuwa dużą igłę bezpośrednio do jamy szpikowej kości w dolnej części pleców, która została wysterylizowana. Szpik kostny jest aspirowany, lub odsysany, z kości poprzez wielokrotne wbijanie igły w kość. Typowe pobranie szpiku kostnego trwa około dwóch godzin i obejmuje pobranie jednego litra szpiku kostnego zawierającego komórki macierzyste. Głównym efektem ubocznym tej procedury jest dyskomfort w miejscu pobrania szpiku kostnego. Nierzadkie powikłania obejmują krwawienie, zakażenie i uszkodzenie nerwów.
Pobieranie komórek macierzystych z krwi jest nieco bardziej skomplikowane niż pobieranie ze szpiku kostnego. Procedura ta jest wykonywana bezpiecznie od ponad dekady. Pobieranie komórek macierzystych z krwi obwodowej może mieć również kilka zalet klinicznych w porównaniu z pobieraniem ich ze szpiku kostnego. Główną zaletą komórek macierzystych krwi obwodowej w porównaniu do szpiku kostnego jest to, że można pobrać wystarczającą ilość komórek krwi obwodowej do podtrzymania kilku kursów wysokodawkowanej chemioterapii. Może to mieć istotne zalety w leczeniu kilku nowotworów krwi, jak również guzów litych, takich jak rak piersi.
Komórki macierzyste normalnie krążą we krwi w bardzo małych ilościach i mogą być pobierane z krwi przez mały cewnik wprowadzony do żyły pacjenta. Liczba krążących we krwi komórek macierzystych jest zwiększona u pacjentów, których szpik kostny odbudowuje się po chemioterapii. Cytokiny (czynniki wzrostu komórek krwi) podawane pacjentom po chemioterapii mielosupresyjnej mogą również powodować 100-krotny wzrost liczby komórek macierzystych krążących we krwi. Wstrzyknięcie cytokin stymuluje zwiększoną produkcję niedojrzałych i dojrzałych komórek macierzystych szpiku kostnego i ich uwalnianie do krwi. Po uwolnieniu do krwi, komórki macierzyste mogą zostać pobrane. Cytokiny mogą być również podawane bez chemioterapii i powodują znaczny wzrost liczby krążących we krwi komórek macierzystych do pobrania. Proces dostarczania cytokiny lub czynnika wzrostu z lub bez chemioterapii mielosupresyjnej w celu pobrania komórek macierzystych jest określany jako mobilizacja komórek macierzystych. Dwie cytokiny, Neupogen® i Leukine®, stymulują produkcję komórek macierzystych w szpiku kostnym i są zatwierdzone przez Food and Drug Administration do stosowania u pacjentów w celu zwiększenia liczby krążących komórek macierzystych. Kilka innych cytokin jest w trakcie opracowywania.
Podczas mobilizacji komórek macierzystych pacjenci otrzymują zastrzyk z cytokiną i są codziennie oceniani. Proces rzeczywistego pobierania komórek macierzystych z krwi nazywany jest aferezą – rozpoczyna się, gdy we krwi krąży wystarczająca ilość komórek macierzystych do pobrania. Komórki macierzyste pobiera się za pomocą urządzenia do aferezy z krwi przepływającej przez cewnik, który wprowadza się do żyły. Krew przepływa z żyły przez cewnik do maszyny do aferezy, która oddziela komórki macierzyste od reszty krwi, a następnie zwraca krew do organizmu pacjenta. Aferezę wykonuje się przez kilka dni, dopóki nie zbierze się wystarczającej ilości komórek macierzystych, aby wspomóc leczenie wysokodawkowaną chemioterapią.
Komórki macierzyste można niezawodnie zidentyfikować i dokładnie zmierzyć, ponieważ mają one specyficzny marker lub etykietę na powierzchni komórek macierzystych. Marker ten jest określany jako antygen CD34. Pomiar liczby komórek macierzystych CD34-pozytywnych antygenu jest ważne, ponieważ lekarze mogą dokładnie przewidzieć, jak szybko szpik kostny odzyskuje po podaniu wysokiej dawki chemioterapii w oparciu o liczbę CD34-pozytywnych komórek macierzystych infuzji. Codzienny pomiar zawartości komórek macierzystych krwi obwodowej CD34+ jest również przydatny w określaniu liczby dni do wykonania aferezy.
Optymalna liczba komórek macierzystych wspomagająca szybką regenerację szpiku kostnego i produkcję komórek krwi po leczeniu chemioterapią wysokodawkową wynosi około 5 mln komórek CD34+/kg masy ciała pacjenta. Infuzja ponad 5 milionów komórek/kg powoduje, że większość pacjentów odzyskuje zdolność wytwarzania komórek krwi w szpiku kostnym w ciągu zaledwie 9-10 dni. Minimalna liczba komórek macierzystych konieczna do zapewnienia bezpiecznego powrotu wytwarzania komórek krwiotwórczych szpiku kostnego nie jest obecnie znana. Pacjenci, u których nie pobrano wystarczającej ilości komórek macierzystych, mogą zostać poddani mobilizacji komórek macierzystych po raz drugi lub trzeci. W większości przypadków, pacjenci będą i mają wystarczającą ilość komórek macierzystych do wykonania przeszczepu. Jeśli komórki macierzyste krwi obwodowej są pobierane we wczesnym okresie choroby, można pobrać wystarczającą ilość komórek macierzystych do wsparcia wielu kursów leczenia.
Dzisiaj praktycznie wszystkie autologiczne przeszczepy komórek macierzystych są wykonywane z komórek macierzystych krwi obwodowej pobranych po mobilizacji chemioterapią i Neupogenem® lub samym Neupogenem®. Dzieje się tak, ponieważ komórki macierzyste krwi obwodowej są łatwiejsze do pobrania i powodują szybszy powrót liczby komórek krwi.
Typowy zbiór komórek macierzystych jest niezmodyfikowany i zawiera czerwone krwinki, komórki odpornościowe i komórki macierzyste, gdy jest przetwarzany i przechowywany. Kolekcja komórek macierzystych, jednak, może być modyfikowany z zamiarem poprawy leczenia raka. Lekarze wiedzą od wielu lat, że kolekcje komórek macierzystych od niektórych pacjentów zawierają również komórki nowotworowe. Wielu lekarzy uważa, że usunięcie komórek nowotworowych z kolekcji komórek macierzystych mogłoby zwiększyć szanse pacjenta na wyleczenie za pomocą wysokodawkowanej chemioterapii i autologicznego przeszczepu komórek macierzystych. Każda metoda usuwania komórek nowotworowych z kolekcji komórek macierzystych wymaga, aby wystarczająco dużo komórek nowotworowych zostało usuniętych, aby zrobić różnicę, podczas gdy inne komórki ważne dla szpiku kostnego lub odbudowy układu odpornościowego pacjenta pozostają.
Oczyszczanie: Komórki nowotworowe mogą być usunięte ze szpiku kostnego lub kolekcji komórek macierzystych krwi obwodowej za pomocą kilku technik, z których każda wykorzystuje przeciwciała monoklonalne, które rozpoznają i przylegają do antygenów na komórkach nowotworowych. Po przyłączeniu się przeciwciała do komórek nowotworowych, istnieje wiele sposobów eliminacji tych komórek z produktu komórek macierzystych. W jednej z takich skutecznych technik, przeciwciało jest przyłączane do mikrocząsteczek o dużej gęstości zawierających metal ciężki – nikiel. Po wymieszaniu komórek macierzystych z mikrocząsteczkami o dużej gęstości, dołączone komórki szybko osiadają na dnie jednorazowego pojemnika ze względu na większą masę. Następnie można je oddzielić i wyrzucić, zachowując komórki macierzyste i pozostawiając lżejszą frakcję pozbawioną praktycznie wszystkich docelowych komórek nowotworowych.
CD34 Selekcja: Mechaniczne techniki usuwania komórek nowotworowych ze zbiorów komórek macierzystych rozpoczęły rozwój na początku lat 90-tych. Techniki mechaniczne zostały zaprojektowane tak, aby usunąć lub wybrać tylko komórki macierzyste z kolekcji komórek macierzystych. Uzasadniano, że łatwiej będzie usunąć kilka komórek macierzystych niezbędnych do wsparcia chemioterapii w wysokich dawkach niż próbować zabić lub usunąć wszystkie komórki nowotworowe w kolekcji komórek macierzystych. Gdy komórki macierzyste zostały usunięte, pozostałe komórki, w tym komórki nowotworowe, mogą być discarded.
Aby tylko usunąć komórki macierzyste, naukowcy musieli najpierw być w stanie wiarygodnie zidentyfikować komórki macierzyste. Po komórki macierzyste mogą być zidentyfikowane, techniki mogą być następnie opracowane w celu usunięcia komórek macierzystych z innych komórek w kolekcji komórek macierzystych. Naukowcy odkryli, że komórki macierzyste posiadają na swojej powierzchni pewne markery (antygeny), które odróżniają je od innych komórek. Jednym z głównych antygenów na komórkach macierzystych jest antygen CD34. Selekcja pozytywna jest jedną z technik opracowanych w celu oddzielenia komórek macierzystych od innych komórek. Metoda ta wykorzystuje urządzenie, które wiąże CD34-pozytywne komórki macierzyste i usuwa je z innych komórek w kolekcji komórek macierzystych. Urządzenia selekcyjne CD34-dodatnie zostały ocenione w próbach klinicznych. Chociaż urządzenia selekcyjne CD34 są zdolne do usuwania dużej liczby komórek nowotworowych z produktu komórek macierzystych, usuwają również wiele komórek macierzystych i komórek odpornościowych.
Przez ostatnie dwie dekady wielu lekarzy pracowało nad sposobami uzyskania małych ilości szpiku kostnego do wzrostu w systemie kultury poza organizmem. Jeśli małe ilości komórek macierzystych mogłyby być rozszerzone w systemie kultury, tak jak są one w organizmie, wtedy można by uniknąć komplikacji związanych z pobieraniem komórek macierzystych ze szpiku kostnego lub krwi. Przez lata lekarze odkryli hormony, które nakazują komórkom macierzystym dzielić się i rozmnażać. Obecnie mogą oni dodawać te hormony do sterylnego systemu hodowli poza organizmem. Ten system hodowlany ma tę dodatkową zaletę, że nie wspiera wzrostu komórek nowotworowych. Tak więc, można wziąć małe liczby komórek macierzystych, które zawierały komórki nowotworowe, umieścić te komórki w systemie kultury z odpowiednimi hormonami i produkować znaczną liczbę komórek macierzystych, które nie zawierają raka i są odpowiednie do transplantacji.
Doktorzy w trzech amerykańskich ośrodkach medycznych zgłosili pierwsze autologiczne przeszczepy przy użyciu rozszerzonych komórek macierzystych w czasopiśmie Blood. Przy miejscowym znieczuleniu uzyskali oni małe próbki szpiku kostnego od 19 pacjentów z rakiem piersi i umieścili te komórki w systemie ekspansji na 12 dni. Tych 19 pacjentów otrzymało wysokodawkowaną chemioterapię z cyklofosfamidem, Paraplatin® i Thioplex®, a następnie infuzję komórek ekspandowanych. Średni czas powrotu do normalnego stanu krwi był podobny do obserwowanego po infuzji szpiku kostnego, ale był wolniejszy niż obserwowany po autologicznej infuzji komórek macierzystych krwi obwodowej. Technika ta wiąże się jednak z infuzją bardziej dojrzałych i funkcjonalnych białych krwinek, co może być dodatkową korzyścią dla pacjenta w pierwszym tygodniu po transplantacji w zapobieganiu infekcji. Jeden pacjent miał komórki nowotworowe w szpiku kostnym przed leczeniem, ale komórki nowotworowe nie zostały wykryte w rozszerzonych komórkach macierzystych, które zostały infuzowane po chemioterapii w wysokiej dawce.
Ta próba kliniczna wyraźnie pokazuje potencjał wykorzystania rozszerzonych komórek macierzystych szpiku kostnego do autologicznego przeszczepu. Obecnie nie jest jasne, kto preferencyjnie skorzystałby z tej techniki, a kto byłby lepiej obsłużony mając przeszczep komórek macierzystych krwi. Byłaby to cenna technika, gdyby można ją było z powodzeniem wykonywać u pacjentów, którzy mieli uszkodzony szpik kostny w wyniku chemioterapii lub radioterapii i nie mieli wystarczającej ilości komórek macierzystych do wykonania autologicznego przeszczepu. Pacjenci z nowotworami w szpiku kostnym odnieśliby korzyści, gdyby komórki nowotworowe mogły być konsekwentnie eliminowane przez technikę hodowli. Technika ta może być również stosowana do ekspansji krwi pępowinowej, gdy liczba komórek macierzystych uzyskanych z tego źródła jest niewystarczająca do allogenicznej transplantacji u dorosłych. Tak więc, ta próba kliniczna może być bardzo ważnym postępem w dziedzinie transplantacji i tylko początkiem badań w tej dziedzinie.