Messung von Stammzellen für die regenerative Medizin

Messung von Stammzellen für die regenerative Medizin

Salk-Forscher und -Mitarbeiter liefern neue Maßstäbe für die Erzeugung des primitivsten Stammzelltyps

LA JOLLA – Salk-Wissenschaftler und Kollegen haben neue molekulare Kriterien vorgeschlagen, um zu beurteilen, wie nahe eine Linie von im Labor erzeugten Stammzellen an die Nachahmung embryonaler Zellen herankommt, die in den allerfrühesten Stadien der menschlichen Entwicklung vorkommen und als naive Stammzellen bekannt sind. Die Tests ergaben, dass keine aktuellen Protokolle zu wirklich naiven Stammzellen führen. Die Leitlinien können Forschern jedoch dabei helfen, dieses Ziel zu erreichen, indem sie aufzeigen, wo die einzelnen aktuellen Methoden mangelhaft sind. Die Erzeugung naiver Stammzellen wäre ein Segen sowohl für die Grundlagenforschung als auch für medizinische Anwendungen von Stammzellen, beispielsweise für die Züchtung von Gewebe für den Organersatz.

„Der naive Zustand hat möglicherweise eine größere Fähigkeit, verschiedene Gewebetypen zu erzeugen, und könnte viele Verwendungsmöglichkeiten haben Regenerative Medizin“, sagt der leitende Autor Josef Ecker, Professor und Direktor des Genomanalyselabors von Salk und a Howard Hughes Medical Institute Ermittler. Die Arbeit wurde am 14. Juli 2016 online veröffentlicht Cell Stammzelle.

Während Stammzellen – Zellen, die das Potenzial haben, sich in andere Zelltypen zu differenzieren – bei erwachsenen Menschen existieren, sind die nützlichsten Stammzellen diejenigen, die in Embryonen vorkommen, die pluripotent sind und sich in nahezu jede Zelle im Körper verwandeln können. Forscher haben Cocktails aus Molekülen entwickelt, die die Uhr erwachsener Zellen zurückdrehen, damit sie als Stammzellen fungieren (sogenannte induzierte pluripotente Stammzellen oder iPSCs), und sie haben auch direkt aus Embryonen stammende Stammzelllinien (ESCs) kultiviert. Es werden neue Methoden entwickelt, um die „vorbereiteten“ ESCs – die eher Zellen aus Embryonen nach der Implantation ähneln – in die Vergangenheit zu locken, damit sie noch mehr naiven Stammzellen ähneln, die in Embryonen vor der Implantation nur wenige Tage nach der Befruchtung gefunden werden. Naive Stammzellen sind unbeschriebene Blätter, die nicht nur die Grundlage für alle Zellen des menschlichen Körpers bilden, sondern auch für Zellen, aus denen die Plazenta besteht, die einen Embryo unterstützt.

„Unserer Meinung nach sind die meisten veröffentlichten Protokolle zur Erzeugung sogenannter naiver Stammzellen nicht überzeugend, da sie Zellen produzieren, die den Ausgangszellen sehr ähnlich sind – es gibt keinen großen Unterschied in der Genexpression“, sagt Co-Hauptautor Rudolf Jänisch Whitehead Institut für biomedizinische Forschung und Massachusetts Institute of Technology.

Ecker arbeitete eng mit Jaenisch und anderen Mitarbeitern bei Whitehead und dem zusammen Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, wollte sehen, ob diese neuen Techniken, die darauf abzielen, den naiven Stammzellzustand zu induzieren, das wirklich bewirken. Sie führten eine Reihe molekularer Tests an den „vorbereiteten“ Zellen und ESCs durch, die Faktoren ausgesetzt waren, von denen angenommen wurde, dass sie Naivität hervorrufen. Sie schätzten den Zustand der beiden ESCs, indem sie ihre molekularen Eigenschaften mit den Zellen aus verschiedenen Stadien der Embryonalentwicklung aus früheren Studien verglichen.

Sie fanden heraus, dass drei Haupttests den Unterschied zwischen naiven Stammzellen und anderen Stammzellen am besten erkennen ließen und es ihnen ermöglichten, jede Reihe von ESCs korrekt entlang dieser Zeitachse zu platzieren. Zunächst maßen sie die Expressionsniveaus von Transposons, DNA-Sequenzen, die im Genom herumspringen können. Sie fanden heraus, dass die Expression bestimmter Transposons auf naive Stammzellen hinweist. Als nächstes fanden sie heraus, dass die Genome naiver embryonaler Stammzellen eine geringere Methylierung aufweisen – das Hinzufügen chemischer Methylgruppen entlang der DNA. Anschließend untersuchten sie den Zustand der X-Chromosomen in naiven Zellen weiblicher Embryonen, die jeweils zwei aktive X-Chromosomen enthalten, im Gegensatz zu reiferen embryonalen Zellen, die ein

Zusammen umfassen die drei Tests Zehntausende genetische Biomarker, um den Entwicklungszustand von Stammzellen zu charakterisieren, sagt Co-Hauptautor Didier Thron der Ecole Polytechnique Federale de Lausanne. „Diese Art der Analyse wird wahrscheinlich zum Goldstandard für die Qualitätskontrolle von Stammzellen, einschließlich induzierter pluripotenter Stammzellen, unabhängig davon, ob sie ausschließlich in der Forschung verwendet werden oder für klinische Anwendungen vorgesehen sind“, sagt er.

Als aktuelle Methoden zur Erzeugung naiver Stammzellen im Labor anhand der drei Tests beurteilt wurden, konnte jeder die naiven embryonalen Zellen nicht auf unterschiedliche Weise nachahmen. Eine neue Technik führte beispielsweise zu Zellen, die zwei aktive X-Chromosomen hatten, aber nicht genau den gewünschten Methylierungsmustern entsprachen.

„Das war wirklich ein Vergleich bestehender Methoden, wobei auf jede Methode die gleichen Kriterien angewendet wurden und man sah, wo sich jeder Zellzustand befindet“, sagt Ecker. „Einige dieser Zellen befanden sich in einem früheren Stadium der Entwicklung, andere in einem späteren Stadium.“

Thorold Theunissen, Postdoktorand in Jaenischs Labor und Co-Erstautor der Studie, sagt: „Unsere Arbeit liefert strenge Kriterien für den Vergleich naiver menschlicher Stammzellen mit ihren Gegenstücken im frühen menschlichen Embryo. Frühere Studien stützten sich hauptsächlich auf Vergleiche mit Mausstammzellen, die sich stark von menschlichen Stammzellen unterscheiden.“

Die Wissenschaftler hoffen, dass andere Forschungsteams ihre Kriterien übernehmen, um ihre eigenen Methoden und Zelllinien zu beurteilen. „Die Transposon- und Methylierungsprofile sind in Bezug auf Technik und Protokoll ziemlich standardisiert, sodass es für andere Labore ziemlich einfach ist, das Experiment beispielsweise an naiven Zellen einer neu entwickelten Methode zu wiederholen“, sagt Yupeng He, ein Doktorand am Ecker Labor, das die Arbeit geleitet hat.

Weitere Forscher an der Studie waren Styliani Markoulaki, Haoyi Wang, Malkiel A. Cohen, Katherine J. Wert, Yanmei Huang, Jesse Drotar und Tenzin Lungjangwa vom Whitehead Institute for Biomedical Research; Marc Friedli, Evarist Planet, Julien Pontis, Alexandra Iouranova, Michael Imbeault und Julien Duc von der Ecole Polytechnique Federale de Lausanne; und Ryan C. O'Neil, Rosa Castanon, Zhuzhu Zhang und Joseph R. Nery vom Salk Institute.

Die Arbeit und die Forscher wurden durch Zuschüsse des gefördert Simons Foundation, National Institutes of Health, Schweizerischer Nationalfonds, European Research Council, Howard Hughes Medical Institute, Gordon und Betty Moore Foundation, Mary K. Chapman Stiftungherunter, eine Sir Henry Wellcome Postdoktorandenstipendiumherunter, eine Stiftung Bettencourt Auszeichnung, die Association Pour La Recherche Sur Le Cancerund die Fonds de la Recherche en Sante du Quebec.