Salk-Wissenschaftler entdecken einen vielseitigeren Ansatz zur Herstellung von Stammzellen

Salk-Wissenschaftler entdecken einen vielseitigeren Ansatz zur Herstellung von Stammzellen

Neue Methode soll Versprechen der regenerativen Medizin beschleunigen

LA JOLLA, CA – Stammzellen sind der Schlüssel zum Versprechen der regenerativen Medizin: der Reparatur oder dem Ersatz verletzter Gewebe durch individuell gezüchtete Ersatzstoffe. Wesentlich für diesen Prozess sind induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs), die aus dem eigenen Gewebe eines Patienten erzeugt werden können und so das Risiko einer Immunabstoßung eliminieren. Allerdings basiert Shinya Yamanakas Formel für iPSCs, für die er letztes Jahr den Nobelpreis erhielt, auf einer strengen Rezeptur, die begrenzte Variationen in menschlichen Zellen zulässt und deren volles Potenzial für die klinische Anwendung einschränkt.

Nun, in der Ausgabe dieser Woche von Cell Stammzelle, das Salk Institute Juan Carlos Izpisúa Belmonte und seine Kollegen zeigen, dass das Rezept für iPSCs weitaus vielseitiger ist als ursprünglich angenommen. Zum ersten Mal haben sie ein Gen ersetzt, von dem man glaubte, dass es nicht zu ersetzen sei, und so das Potenzial für flexiblere Rezepte geschaffen, die die Einführung von Stammzelltherapien beschleunigen dürften.

Von links: Emmanuel Nivet und Juan Carlos Belmonte. Sitzend: Ignacio Sancho Martinez

Bild: Mit freundlicher Genehmigung des Salk Institute for Biological Studies

Es gibt zwei Arten von Stammzellen: embryonale Stammzellen (ESCs), bei denen es sich um unreife Zellen handelt, die sich nie in bestimmte Zelltypen differenziert haben, und induzierte pluripotente Stammzellen, bei denen es sich um reife Zellen handelt, die wieder in einen undifferenzierten Zustand umprogrammiert wurden. Nach der ersten Entdeckung von Yamanaka im Jahr 2006, dass die Einführung von vier verschiedenen Genen in eine reife Zelle ausreichen könnte, um die Zelle auf Pluripotenz umzuprogrammieren, übernahmen die meisten Forscher sein Rezept.

Izpisua Belmonte und seine Kollegen verfolgten einen neuen Ansatz und entdeckten, dass Pluripotenz (die Fähigkeit der Stammzelle, sich in nahezu jede Art von erwachsenen Zellen zu differenzieren) auch durch den Ausgleich der für die Differenzierung erforderlichen Gene erreicht werden kann. Diese Gene kodieren für „Abstammungstranskriptionsfaktoren“, Proteine, die eine Stammzelle auf den Weg bringen, sich zunächst in eine bestimmte Zelllinie oder einen bestimmten Zelltyp zu differenzieren, beispielsweise eine Blutzelle gegenüber einer Hautzelle, und dann schließlich in eine bestimmte Zelle, z als weißes Blutkörperchen.

„Vor dieser Reihe von Experimenten gingen die meisten Forscher auf diesem Gebiet davon aus, dass sie versuchten, reifen Zellen einen ‚embryonalen‘ Zustand aufzuzwingen“, sagt Izpisua Belmonte, Inhaberin des Roger-Guillemin-Lehrstuhls des Instituts. „Entsprechend konzentrierten sich große Anstrengungen auf die Identifizierung von Faktoren, die typisch für natürlich vorkommende embryonale Stammzellen sind und die Reprogrammierung ermöglichen oder weiter verbessern würden.“

Zum ersten Mal hat das Belmonte-Labor OCT4 ersetzt, ein Gen, das zuvor für die Umprogrammierung menschlicher Zellen in embryonalähnliche Zellen als unverzichtbar galt.

Das Bild zeigt neu umprogrammierte Zellen, die durch Fluoreszenz Anzeichen von Pluripotenz aufweisen (NANOG in Grün, TRA-1-81 in Rot).

Bild: Mit freundlicher Genehmigung des Salk Institute for Biological Studies

Trotz dieser Bemühungen schien es keine Möglichkeit zu geben, anhand der genetischen Identität allein festzustellen, ob Zellen pluripotent sind. Stattdessen wurde die Pluripotenz routinemäßig durch funktionelle Tests bewertet. Mit anderen Worten: Wenn es sich wie eine Stammzelle verhält, muss es eine Stammzelle sein.

Diese Bedingung führte das Team zu seiner wichtigsten Erkenntnis. „Pluripotenz scheint keine eigenständige zelluläre Einheit darzustellen, sondern vielmehr ein funktioneller Zustand, der durch ein Gleichgewicht zwischen entgegengesetzten Differenzierungskräften hervorgerufen wird“, sagt Izpisua Belmonte.

Als sie das verstanden hatten, erkannten sie, dass die vier zusätzlichen Gene für die Pluripotenz nicht notwendig waren. Stattdessen könnte dies erreicht werden, indem das Gleichgewicht der „Abstammungsspezifizierer“ verändert wird, also bereits in der Zelle vorhandener Gene, die spezifizieren, zu welcher Art von erwachsenem Gewebe eine Zelle werden könnte.

„Eine der Implikationen unserer Ergebnisse ist, dass die Stammzellidentität eigentlich nicht festgelegt ist, sondern vielmehr ein Gleichgewicht, das durch mehrere verschiedene Kombinationen von Faktoren erreicht werden kann, die nicht unbedingt typisch für ESCs sind“, sagt Ignacio Sancho-Martinez, einer der ersten Autoren der Arbeit und ein Postdoktorand in Izpisua Belmontes Labor.

Die Gruppe konnte zeigen, dass mehr als sieben zusätzliche Gene die Umprogrammierung zu iPSCs erleichtern können. Am wichtigsten ist, dass sie zum ersten Mal in menschlichen Zellen ein Gen aus dem Originalrezept namens Oct4 ersetzen konnten, das in Mäusezellen ersetzt worden war, aber immer noch als unverzichtbar für die Neuprogrammierung menschlicher Zellen galt. Ihre Fähigkeit, es zu ersetzen, sowie SOX2, ein weiteres Gen, das einst als wesentlich galt und in Kombination mit Oct4 nie ersetzt wurde, zeigte, dass die Stammzellentwicklung aus einer völlig neuen Sichtweise betrachtet werden muss.

„Es wurde allgemein angenommen, dass die Entwicklung zur Zell-/Gewebespezifikation führt, indem sie bestimmte Differenzierungstüren ‚öffnet‘“, sagt Emmanuel Nivet, Postdoktorand im Labor von Izpisua Belmonte und Co-Erstautor der Arbeit, zusammen mit Sancho-Martinez und Nuria Montserrat von der Zentrum für Regenerative Medizin in Barcelona, ​​Spanien.

Stattdessen zeigt die erfolgreiche Substitution von Oct4 und SOX2 das Gegenteil. „Pluripotenz ist wie ein Raum, in dem alle Türen offen stehen und in dem die Differenzierung durch ‚Schließen‘ von Türen erreicht wird“, sagt Nivet. „Umgekehrt wird die Umprogrammierung zur Pluripotenz durch das Öffnen von Türen erreicht.“

Das Team glaubt, dass ihre Arbeit dazu beitragen sollte, eine der größten Hürden für die weit verbreitete Einführung von Stammzelltherapien zu überwinden: Die ursprünglich vier Gene, die zur Neuprogrammierung von Stammzellen verwendet wurden, waren an Krebs beteiligt. „Jüngste Studien zu Krebs, viele davon von meinen Salk-Kollegen, haben molekulare Ähnlichkeiten zwischen der Proliferation von Stammzellen und Krebszellen gezeigt, daher ist es nicht verwunderlich, dass Onkogene [mit Krebs verbundene Gene] Teil des iPSC-Rezepts sind. “, sagt Izpisua Belmonte.

Mit dieser neuen Methode, die eine individuelle Rezeptur ermöglicht, will das Team die Therapieforschung vorantreiben. „Da wir gezeigt haben, dass es möglich ist, Gene, die für die Neuprogrammierung als wesentlich erachtet werden, durch verschiedene Gene zu ersetzen, die bisher nicht an der Tumorentstehung beteiligt waren, hoffen wir, dass diese Studie die iPSC-Forschung schneller in die Klinik überführen kann“, sagt er Izpisua Belmonte.

Weitere Forscher an der Studie waren Tomoaki Hishida, Sachin Kumar, Yuriko Hishida, Yun Xia und Concepcion Rodriguez Esteban vom Salk Institute; Laia Miquel und Carme Cortina von der Zentrum für Regenerative Medizin in Barcelona, ​​Spanien.

Die Arbeit wurde unterstützt durch die Leona M. und Harry B. Helmsley Charitable Trust, FM Kirby Foundation, hat das G. Harold und Leila Y. Mathers Wohltätigkeitsstiftung, Nomis Foundation, Fundacion Cellex, die Ministerium für Wirtschaft und Wettbewerbsfähigkeit (MINECO), TERCEL-ISCIII-MINECO und Cardiocel.

Über das Salk Institute for Biological Studies:
Das Salk Institute for Biological Studies ist eine der weltweit herausragenden Grundlagenforschungseinrichtungen, in der international renommierte Dozenten in einem einzigartigen, kollaborativen und kreativen Umfeld grundlegende Fragen der Biowissenschaften untersuchen. Salk-Wissenschaftler konzentrieren sich sowohl auf Entdeckungen als auch auf die Betreuung zukünftiger Forschergenerationen und leisten bahnbrechende Beiträge zu unserem Verständnis von Krebs, Alterung, Alzheimer, Diabetes und Infektionskrankheiten, indem sie Neurowissenschaften, Genetik, Zell- und Pflanzenbiologie und verwandte Disziplinen studieren.

Die Leistungen der Fakultät wurden mit zahlreichen Ehrungen gewürdigt, darunter Nobelpreise und Mitgliedschaften in der National Academy of Sciences. Das 1960 vom Polioimpfpionier Jonas Salk, MD, gegründete Institut ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation und ein architektonisches Wahrzeichen.