Salk-Wissenschaftler entwickeln schnellere und sicherere Methode zur Herstellung von Stammzellen

Salk-Wissenschaftler entwickeln schnellere und sicherere Methode zur Herstellung von Stammzellen

Die neue Methode steigert die Zellausbeute und erhöht die Sicherheit und trägt so dazu bei, der regenerativen Medizin einen weiteren Schritt näher zu kommen

LA JOLLA, Kalifornien – Eine neue Methode zur Erzeugung von Stammzellen aus reifen Zellen verspricht, die Stammzellproduktion im Labor anzukurbeln und dazu beizutragen, eine Hürde für regenerative Medizintherapien zu beseitigen, die beschädigtes oder ungesundes Körpergewebe ersetzen würden.

Die von Forschern des Salk Institute for Biological Studies entwickelte Technik ermöglicht die unbegrenzte Produktion von Stammzellen und ihren Derivaten und verkürzt die Produktionszeit um mehr als die Hälfte, von fast zwei Monaten auf zwei Wochen.

„Eines der Hindernisse, die überwunden werden müssen, bevor Stammzelltherapien weit verbreitet werden können, ist die Schwierigkeit, schnell genug Zellen für eine akute klinische Anwendung zu produzieren“, sagt Ignacio Sancho-Martinez, einer der Erstautoren der Arbeit und Postdoktorand Forscher im Labor von Juan Carlos Izpisúa Belmonte, der Roger Guillemin Chair am Salk Institute.

Sie und ihre Kollegen, darunter Fred H. Gage, Professor am Salk's Laboratory of Genetics, haben diese Woche in Nature Methods eine neue Methode zur Umwandlung von Zellen veröffentlicht.

Stammzellen werden wegen ihrer „Pluripotenz“ geschätzt, der Fähigkeit, sich in nahezu jede beliebige Zelle im Körper zu verwandeln. Stammzellen für Forschungs- und klinische Zwecke werden auf zwei Arten gewonnen: entweder direkt aus Zellen, die jung genug sind, um noch pluripotent zu sein, oder aus reifen Zellen, die „umprogrammiert“ wurden, um pluripotent zu sein.

Von links nach rechts: Emmanuel Nivet, Juan Carlos Izpisua Belmonte, Leo Kurian, Ignacio Sancho-Martinez

Bild: Mit freundlicher Genehmigung des Salk Institute for Biological Studies

Die erste Art wird „embryonale Stammzellen“ (ESCs) genannt, auch wenn der Begriff irreführend ist. Sie stammen eigentlich aus Blastozysten, dem hohlen Zellbündel von etwa der Größe einer Stecknadelspitze, das von einer befruchteten Eizelle nach fünf Tagen Zellteilung gebildet wird. Nachdem sich eine Blastozyste in der Gebärmutter eingenistet hat, beginnt das Embryostadium.

Abgesehen von den bekannten ethischen Kontroversen haben ESCs ein weniger diskutiertes Problem: Aus ESCs gezüchtetes Gewebe kann bei der Transplantation in Patienten Immunreaktionen auslösen.

Um sowohl ethische als auch medizinische Bedenken auszuräumen, lernten Wissenschaftler, reife Zellen (sogenannte „somatische Zellen“), die sich in bestimmte Gewebetypen differenziert hatten, wieder in ihren pluripotenten Zustand zu versetzen. Diese sogenannten „induzierten pluripotenten Stammzellen“ oder iPSCs läuten völlig neue Forschungsrunden ein, einschließlich eines dritten Weges, um gewünschte Zelltypen zu erhalten.

Endothelzellen, die durch indirekte Abstammungskonvertierung aus menschlichen Fibroblasten (Hautzellen) gewonnen werden. Zellkerne sind blau; Proteine, die das Markenzeichen von Endothelzellen sind, sind grün und rot.

Bild: Mit freundlicher Genehmigung des Salk Institute for Biological Studies

Wie sich herausstellt, haben iPSCs ihre eigenen Probleme. Die Herstellung im Labor dauert lange und ist ein äußerst ineffizienter Prozess, der bis zu zwei Monate dauern kann. Zunächst müssen Körperzellen in iPSCs umprogrammiert werden, was viel Zeit und Mühe erfordert. Anschließend müssen die iPSCs vor der therapeutischen Anwendung in spezifische Zelllinien differenziert werden. Schlimmer noch, sie können sich manchmal zu Tumoren, sogenannten Teratomen, entwickeln, die krebsartig sein können.

Vor diesem Hintergrund fragten sich die Wissenschaftler, ob es nicht notwendig wäre, noch einmal auf das unbeschriebene Blatt einer pluripotenten Stammzelle zurückzugehen. Der Schlüssel zu dieser Idee liegt darin, dass pluripotente Stammzellen nicht sofort zu bestimmten Zellen heranwachsen. Sie durchlaufen Zwischenphasen als Vorläufer, in denen sie „multipotent“ werden und sich nur innerhalb einer bestimmten Zelllinie zu Zelltypen entwickeln können. Während eine pluripotente Zelle zu fast jeder Zelle im Körper werden kann, kann eine multipotente Blutzelle beispielsweise zu roten oder weißen Blutkörperchen oder Blutplättchen werden, nicht jedoch zu entfernten Abstammungslinien wie Neuronen.

Um die potenziellen Probleme bei der Arbeit mit iPSCs zu vermeiden, entwickelten Wissenschaftler daher die Technik der „direkten Abstammungskonvertierung“. Im Gegensatz zum bekannten Szenario, in dem sich eine pluripotente Zelle teilen und alle verschiedenen Zelltypen eines erwachsenen Individuums erzeugen würde, wird bei der direkten Abstammungsumwandlung eine somatische Zelle in nur einen anderen Zelltyp umgewandelt, sodass beispielsweise eine Hautzelle zu einem Muskel wird Zelle, aber sonst nichts.

Obwohl diese Technik effektiv ist, fragten sich das Salk-Team und ihre Kollegen, ob es möglicherweise eine Modifikation gibt, die sowohl effizienter als auch sicherer sein könnte.

„Abgesehen von der offensichtlichen Frage der Sicherheit ist die Produktivität die wichtigste Überlegung bei Stammzellen für den klinischen Einsatz“, sagt Salk-Postdoktorand Leo Kurian, einer der ersten Co-Autoren des Artikels.

Das Team entwickelte eine neue Technik, die es „indirekte Abstammungskonvertierung“ (ILC) nannte. Bei der ILC werden, wie in Nature Methods ausführlich erläutert, somatische Zellen in einen früheren Zustand zurückversetzt, der für die weitere Spezifizierung in Vorläuferzellen geeignet ist.

ILC hat das Potenzial, mehrere Abstammungslinien zu erzeugen, sobald die Zellen in die speziell vom Team entwickelte chemische Umgebung übertragen werden. Am wichtigsten ist, dass ILC Zeit spart und das Risiko von Teratomen verringert, da keine iPSC-Erstellung erforderlich ist. Stattdessen werden somatische Zellen darauf ausgerichtet, Vorläuferzellen bestimmter Abstammungslinien zu werden. „Wir drücken sie nicht auf Null, sondern nur ein wenig zurück“, sagt Sancho-Martinez.

Mithilfe von ILC programmierte die Gruppe menschliche Fibroblasten (Hautzellen) so um, dass sie zu Angioblasten-ähnlichen Zellen wurden, den Vorläufern von Gefäßzellen. Diese neuen Zellen könnten sich nicht nur vermehren, sondern sich auch weiter in endotheliale und glatte Muskelgefäßlinien differenzieren. Bei der Implantation in Mäuse integrierten sich diese Zellen in das bestehende Gefäßsystem der Tiere.

„Eine der langfristigen Hoffnungen für die Stammzellforschung wird durch diese Studie veranschaulicht, bei der Stammzellen sich selbst zu 3D-Strukturen zusammenfügen und sich dann in bestehende Gewebe integrieren würden“, sagt Juan Carlos Izpisua Belmonte.

Auch wenn ein solcher klinischer Einsatz noch Jahre auf sich warten lassen dürfte, hat diese neue Methode mehrere Vorteile gegenüber aktuellen Techniken, erklärt er. Es ist sicherer, da es offenbar keine Tumore oder andere unerwünschte genetische Veränderungen hervorruft und zu einer viel höheren Ausbeute als andere Methoden führt. Am wichtigsten ist, dass es schneller ist, und das ist einer der Gründe, warum es nicht nur produktiver, sondern auch weniger riskant ist.

„Im Allgemeinen kann es bis zu zwei Monate dauern, iPSCs und ihre differenzierten Derivate zu erstellen, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass Mutationen auftreten“, sagt Emmanuel Nivet, der dritte der ersten Co-Autoren. „Unsere Methode dauert nur 15 Tage, sodass wir die Wahrscheinlichkeit, dass spontane Mutationen auftreten, erheblich verringert haben.“

Weitere Forscher an der Studie waren: Aitor Aguirre, Krystal Moon, Caroline Pendaries, Cecile Volle-Challier, Francoise Bono, Jean-Marc Herbert, Julian Pulecio, Yun Xia, Mo Li, Nuria Montserrat, Sergio Ruiz, Ilir Dubova, Concepcion Rodriguez, Ahmet M. Denli, Francesca S. Boscolo, Rathi D. Thiagarajan, Jeanne F. Loring und Louise C. Laurent.

Die Arbeit wurde unterstützt von: das California Institute for Regenerative Medicine; die FM Kirby Foundation; National Institutes of Health; der Hartwell-Stiftung; die Millipore-Stiftung; die Esther O'Keeffe Charitable Trust Foundation; Fundacion Cellex; die G. Harold und Leila Y. Mathers Charitable Foundation; Der Leona M. und Harry B. Helmsley Charitable Trust, Sanofi; und das Ministerio de Economia y Competividad.

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.