24. Januar 2005
La Jolla, Kalifornien – Derzeit verfügbare Linien menschlicher embryonaler Stammzellen sind mit einem nichtmenschlichen Molekül kontaminiert, das ihre potenzielle therapeutische Verwendung bei menschlichen Probanden beeinträchtigt, so eine Untersuchung von Forschern der University of California, San Diego (UCSD) School of Medizin und das Salk Institute in La Jolla, Kalifornien.
In einer am 23. Januar 2005 online in der Fachzeitschrift Nature Medicine veröffentlichten Studie stellten die Forscher fest, dass menschliche embryonale Stammzellen, einschließlich der derzeit in den USA für Studien mit Bundesmitteln zugelassenen, eine nichtmenschliche Sialinsäure auf der Zelloberfläche namens N enthalten -Glykolylneuraminsäure (Neu5Gc), auch wenn menschliche Zellen genetisch nicht in der Lage sind, sie herzustellen. In einem verwandten Artikel, der am 29. November 2004 im Journal of Biological Chemistry (JBC) veröffentlicht wurde, hat die Varki-Gruppe auch den genauen zellulären Mechanismus entdeckt, durch den dies geschieht.
In Studien mit einer der staatlich zugelassenen menschlichen embryonalen Stammzelllinien stellten die Forscher fest, dass Neu5Gc von den Stammzellen eingebaut wird, wenn diese gezüchtet werden oder aus Laborkulturen stammen, die tierische Quellen des nichtmenschlichen Neu5Gc-Moleküls enthalten. Alle traditionellen Kulturschalenmethoden, die zur Züchtung aller menschlichen embryonalen Stammzellen verwendet werden, umfassen Materialien tierischen Ursprungs, darunter Bindegewebszellen (sogenannte „Feederschichten“) von Mäusen und fötales Kälberserum.
„Die menschlichen embryonalen Stammzellen blieben durch Neu5Gc kontaminiert, selbst wenn sie unter speziellen Kulturbedingungen mit kommerziell erhältlichen Serumersatzmitteln gezüchtet wurden, offenbar weil diese auch aus tierischen Produkten stammen“, sagte der leitende Autor beider Arbeiten, Ajit Varki, MD, UCSD-Professor für Medizin und Zellular- und Molekularmedizin und Co-Direktor des UCSD Glycobiology Research and Training Center.
Die Forschung in Nature Medicine wurde mit menschlichen embryonalen Stammzellen durchgeführt, die im Labor von gezüchtet wurden Fred Gage, Ph.D., Professor am Labor für Genetik des Salk Institute, La Jolla, Kalifornien, außerordentlicher Professor für Neurowissenschaften an der UCSD und Autor des Nature Medicine-Artikels.
Zuvor hatte das Varki-Labor 1998 herausgefunden, dass Menschen sich von anderen untersuchten Säugetieren dadurch unterscheiden, dass sie kein Neu5Gc* exprimieren. In einer Studie** aus dem Jahr 2003 fanden die UCSD-Forscher heraus, dass Menschen über natürlich vorkommende Antikörper verfügen, die gegen Neu5Gc gerichtet sind. In der aktuellen Nature Medicine-Studie stellten die Wissenschaftler fest, dass die mit Neu5Gc kontaminierten menschlichen embryonalen Stammzellen praktisch wie tierische Zellen von menschlichen Antikörpern angegriffen wurden und sie somit als potenzielles therapeutisches Instrument beim Menschen unbrauchbar machten.
„Es handelt sich um ein wichtiges Sicherheitsproblem, da dies den Gedanken aufkommen lässt, dass ein Proteintransfer zwischen Zellen stattfindet“, sagte Gage. „Konkret haben Bestandteile des Wachstumsmediums die Fähigkeit, die immunologischen Eigenschaften der menschlichen ES-Zellen zu verändern. Es bedarf weiterer Forschung, um die optimalen Bedingungen für die Vorbereitung menschlicher Zellen für die therapeutische Anwendung zu verstehen.“
„Wir waren der Ansicht, dass eine Teillösung des Problems darin besteht, menschliches Serum im Wachstumsmedium zu verwenden“, sagte Varki. Als das Team die Zellen in hitzeinaktiviertem Humanserum züchtete, das speziell für niedrige Konzentrationen von Anti-Neu5Gc-Antikörpern ausgewählt wurde, wurde die Immunantwort deutlich reduziert, aber nicht vollständig beseitigt.
In ihren Experimenten nutzten die Forscher neu entwickelte Sonden, um das Vorhandensein von Neu5Gc auf der Zelloberfläche menschlicher embryonaler Stammzellen nachzuweisen, die unter traditionellen Kulturbedingungen gezüchtet wurden. Die Wissenschaftler bestätigten das Vorhandensein von Neu5Gc außerdem mit einem Verfahren namens Elektrospray-Massenspektrometrie. Der Anteil der gesamten Sialinsäuren, die in den embryonalen Stammzellen als Neu5Gc vorliegen, schwankte zwischen 2.5 und 10.5 Prozent. In menschlichen embryonalen Stammzellen, die sich in Embryoidkörperchen (EB) differenzieren konnten, was den ersten Schritt zur Vorbereitung auf eine mögliche Verwendung beim Menschen darstellt, lag der Anteil der insgesamt vorhandenen Sialinsäuren immer noch zwischen 5 und 17 Prozent.
Varki und sein Team stellten fest, dass in den letzten Jahren viele Anstrengungen unternommen wurden, um alle tierischen Kulturbestandteile in der Kultur menschlicher Stammzellen zu eliminieren. Viele der für Wachstum und Differenzierung verwendeten Spezialmedien enthalten jedoch immer noch Materialien tierischen Ursprungs und sind daher mit Neu5Gc kontaminiert.
Zusätzlich zur Verwendung von menschlichem Serum schlugen die Forscher die Möglichkeit vor, sogenannte „Feederzellen“ von Mäusen mit einem menschenähnlichen Defekt in der Neu5Gc-Produktion zu verwenden. Sie stellten fest, dass sie kürzlich eine solche Maus hergestellt haben. Eine andere Möglichkeit, die von Gruppen in anderen Teilen der Welt versucht wird, besteht darin, aus menschlichen Embryonen stammende Bindegewebszellen als Nährschicht in der Kultur zu verwenden.
Eine weitere Lösung könnte eine kurzfristige Kultur in hitzeinaktiviertem Serum des tatsächlichen Patienten sein, der die Therapie erhalten wird, sagten die Wissenschaftler. Es könnte sich jedoch immer noch als schwierig erweisen, Neu5Gc vollständig zu eliminieren, da es metabolisch in die derzeit verfügbaren, staatlich finanzierten menschlichen embryonalen Stammzelllinien eingebaut wurde.
„Mit dieser Entdeckung ist die bereits bestehende allgemeine Besorgnis über die Verwendung tierischer Produkte zur Gewinnung menschlicher embryonaler Stammzellen konkreter geworden und wird in molekularer Hinsicht definiert“, sagte Varki.
„Solche Probleme werden natürlich irrelevant, wenn die vollständige Eliminierung von Neu5Gc durch die Gewinnung neuer menschlicher embryonaler Stammzellen erreicht werden kann, die noch nie Neu5Gc-haltigen tierischen Produkten jeglicher Art ausgesetzt wurden“, sagten die Forscher im Nature Medicine-Artikel. Beachten Sie, dass keiner der vorgeschlagenen Ansätze die vollständige Eliminierung von Neu5Gc aus vorhandenen Kulturen garantiert. „Deshalb scheint es das Beste zu sein, noch einmal mit neu gewonnenen menschlichen embryonalen Stammzellen zu beginnen, die noch nie mit tierischen Produkten und im Idealfall nur mit dem Serum des vorgesehenen Transplantatempfängers in Berührung gekommen sind.“
„Allerdings könnte ein solcher Ansatz im Rahmen der bestehenden Regeln für die Verwendung von Bundeszuschüssen nicht verfolgt werden“, sagte Varki.
Die Erstautorin der Nature Medicine-Studie ist Maria J. Martin, Ph.D., eine Postdoktorandin in Varkis Labor an der UCSD. Ein wichtiger weiterer Autor ist Gages Postdoktorand Alysson Muotri, Ph.D. Die Studie wurde vom National Institute of General Medical Sciences der National Institutes of Health, dem Lookout Fund und der G. Harold and Leila Y. Mathers Charitable Foundation of New York finanziert.
Zu den Autoren der entsprechenden Studie in JBC gehörten neben Varki auch Muriel Bardor, Ph.D. und Dzung Nguyen, Ph.D., Postdoktoranden, und Sandra Diaz, wissenschaftliche Mitarbeiterin. Sie stellten fest, dass Neu5Gc in menschliche Zellen gelangt, indem es in Flüssigkeitströpfchen eingeschlossen und dann von einer „Pumpe“, dem sogenannten lysosomalen Sialinsäuretransporter, zum Zytoplasma der Zelle transportiert wird.
Varki stellte fest, dass es sich bei diesem Weg um einen ungewöhnlichen und bisher unbekannten Weg handelt, der möglicherweise auch für den Eintritt anderer kleiner Moleküle in Zellen relevant ist. Darüber hinaus zeigte die JBC-Studie, wie Neu5Gc, das an Nahrungsproteine von Tieren gebunden ist, in Zellen eingebaut werden kann, die den Magen und den Dickdarm auskleiden – Organe, in denen der Verzehr von rotem Fleisch mit einem Krebsrisiko in Verbindung gebracht wird.
„Die Kenntnis des Mechanismus, den dieses Molekül nutzt, um in menschliche Zellen zu gelangen, könnte uns Hinweise auf mögliche Lösungen für die Probleme geben, die es in verschiedenen Situationen verursachen kann“, sagte Varki.
* Der Unterschied zwischen Menschen und Affen hängt mit einem fehlenden Sauerstoffatom zusammen
http://health.ucsd.edu/news/2004/09_25_98_Varki.html
** Laut einer Studie von UCSD-Forschern werden nichtmenschliche Moleküle durch den Verzehr von rotem Fleisch absorbiert
http://health.ucsd.edu/news/2003/09_29_Varki.html
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