Salk-Wissenschaftler erweitern die Fähigkeit von Stammzellen, jeden Gewebetyp nachwachsen zu lassen

Salk-Wissenschaftler erweitern die Fähigkeit von Stammzellen, jeden Gewebetyp nachwachsen zu lassen

Die neue Technik, die es Wissenschaftlern ermöglicht, sowohl embryonale als auch nicht-embryonale Gewebe aus kultivierten Stammzellen zu erzeugen, ist ein Schritt in Richtung Züchtung von Spenderorganen und Ersatzgeweben zur Bekämpfung von Alterung und Krankheiten

LA JOLLA – Wenn Wissenschaftler davon sprechen, dass Laborstammzellen totipotent oder pluripotent sind, meinen sie, dass die Zellen das Potenzial haben, sich wie ein Embryo zu jeder Art von Gewebe im Körper zu entwickeln. Was totipotente Stammzellen jedoch können, was pluripotente nicht können, ist, sich zu Geweben zu entwickeln, die den Embryo unterstützen, wie die Plazenta. Diese sogenannten extraembryonalen Gewebe sind für die Entwicklung und das gesunde Wachstum von entscheidender Bedeutung.

Jetzt berichten Wissenschaftler des Salk Institute in Zusammenarbeit mit Forschern der Peking-Universität in China über die Entdeckung eines chemischen Cocktails, der es kultivierten Maus- und menschlichen Stammzellen ermöglicht, genau das zu tun: sowohl embryonales als auch extraembryonales Gewebe zu erzeugen. Ihre Technik, beschrieben in der Zeitschrift Zelle am 6. April 2017 könnte neue Erkenntnisse über die Entwicklung von Säugetieren liefern, die zu einer besseren Modellierung von Krankheiten, der Entdeckung von Medikamenten und sogar zur Geweberegeneration führen. Es wird erwartet, dass diese neue Technik besonders nützlich für die Modellierung früher Entwicklungsprozesse und Krankheiten ist, die sich auf die Embryonenimplantation und die Plazentafunktion auswirken, und möglicherweise den Weg für verbesserte In-vitro-Fertilisationstechniken ebnet.

„Während der Embryonalentwicklung gelten sowohl die befruchtete Eizelle als auch ihre Ausgangszellen als totipotent, da sie alle embryonalen und extraembryonalen Abstammungslinien hervorbringen können. Allerdings stellt die Gewinnung von Stammzellen mit einem solchen Entwicklungspotenzial in vitro eine große Herausforderung in der Stammzellbiologie dar“, sagt Salk-Professor Juan Carlos Izpisua Bemonte, Co-Senior-Autor des Artikels und Inhaber des Roger Guillemin Chair von Salk. „Dies ist die erste Studie, die über die Ableitung eines stabilen Stammzelltyps berichtet, der ein totipotent-ähnliches Bi-Entwicklungspotenzial sowohl für embryonale als auch für extraembryonale Abstammungslinien aufweist.“

Sobald eine Säugetierei befruchtet ist und sich zu teilen beginnt, teilen sich die neuen Zellen in zwei Gruppen auf: diejenigen, die sich zum Embryo entwickeln, und diejenigen, die sich zu Stützgeweben wie der Plazenta und der Fruchtblase entwickeln. Da diese Arbeitsteilung relativ früh erfolgt, können Forscher kultivierte Zelllinien oft erst stabil halten, wenn die Zellen bereits den Punkt überschritten haben, an dem sie sich noch in einen der beiden Typen verwandeln können. Der neu entdeckte Cocktail verleiht Stammzellen die Fähigkeit, sich stabil in beide Typen umzuwandeln, was das Salk-Team dazu veranlasste, sie als erweiterte pluripotente Stammzellen (EPS) zu bezeichnen.

„Die Entdeckung von EPS-Zellen bietet eine potenzielle Chance für die Entwicklung einer universellen Methode zur Etablierung von Stammzellen, die bei Säugetieren eine erweiterte Entwicklungsfähigkeit haben“, sagt Jun Wu, leitender Wissenschaftler bei Salk und einer der Erstautoren des Papiers. „Wichtig ist, dass die überlegene chimäre Interspezies-Kompetenz von EPS-Zellen sie besonders wertvoll für die Untersuchung der Entwicklung, Evolution und menschlichen Organgenerierung unter Verwendung einer Wirtstierart macht.“

Um ihren Cocktail zu entwickeln, suchte das Salk-Team zusammen mit dem Team der Peking-Universität zunächst nach chemischen Verbindungen, die Pluripotenz unterstützen. Sie entdeckten, dass eine einfache Kombination aus vier Chemikalien und einem Wachstumsfaktor die menschlichen pluripotenten Stammzellen in einem entwicklungsbedingt weniger ausgereiften Zustand stabilisieren könnte, wodurch sie effizienter zur Bildung von Chimären (einer Mischung aus Zellen zweier verschiedener Arten) in einem Entwicklungsstadium beitragen könnten Mäuseembryo. Sie wandten die gleichen Faktoren auch auf Mauszellen an und fanden überraschenderweise heraus, dass die neu gewonnenen Mausstammzellen nicht nur embryonale Gewebetypen hervorbringen, sondern sich auch in Zellen aus extraembryonalen Abstammungslinien differenzieren konnten. Darüber hinaus stellte das Team fest, dass die neuen Mausstammzellen über eine überlegene Fähigkeit verfügen, Chimären zu bilden, und dass aus einer einzelnen Zelle eine ganze erwachsene Maus entstehen könnte, was dem Team zufolge auf diesem Gebiet beispiellos sei.

„Die überlegene chimäre Kompetenz sowohl menschlicher als auch muriner EPS-Zellen ist bei Anwendungen wie der Erstellung transgener Tiermodelle und der Produktion von Ersatzorganen von Vorteil“, fügt Wu hinzu. „Wir testen jetzt, ob menschliche EPS-Zellen einen effizienteren chimären Beitrag zu Schweinen leisten, deren Organgröße und Physiologie denen des Menschen ähnlicher sind.“ Menschliche EPS-Zellen, kombiniert mit der Interspezies-Blastozysten-Komplementationsplattform, wie vom gleichen Salk-Team in berichtet Zelle im Januar 2017bergen ein großes Potenzial für die Gewinnung menschlicher Organe bei Schweinen, um den steigenden Bedarf an Spenderorganen zu decken.

„Wir glauben, dass die Entwicklung einer stabilen Stammzelllinie mit Totipotent-ähnlichen Merkmalen weitreichende und durchschlagende Auswirkungen auf das Stammzellgebiet haben wird“, sagt Izpisua Belmonte.

Weitere Autoren waren: Takayoshi Yamauchi, Atsushi Sugawara und Zhongwei Li von Salk; Yang Yang, Bei Liu, Jun Xu, Jinlin Wang, Cheng Shi, Yaxing , Chaoran Zhao, Haibo Li, Hongquan Zhang, Xiaochun Chi und Huan Shen von Peking University; Weifeng Yang und Ming Yin von Beijing Vitalstar Biotechnology; Fangyuan Sun und Xiangyun Li von Hebei Universität; Yifang Liu von Tsinghua University; Cheng Li von Peking-Tsinghua-Zentrum für Biowissenschaften; Shuguang Duo der Chinesische Akademie der Wissenschaften.

Die Arbeit wurde finanziert durch: das National Key Research and Development Program of China (2016YFA0100100), die National Natural Science Foundation of China (31521004), das Guangdong Innovative and Entrepreneurial Research Team Program (2014ZT05S216) und das Science and Technology Planning Project of Guangdong Provinz, China (2014B020226001), das Wissenschafts- und Technologieprogramm von Guangzhou, China (2016B030232001), das Bildungsministerium von China (Projekt 111), das BeiHao Stem Cell and Q9 Regenerative Medicine Translational Research Institute, das Joint Institute of Peking University Health Science Center, University of Michigan Health System, Peking-Tsinghua Center for Life Sciences, das National Science and Technology Support Project (2014BAI02B01), das CAS Key Technology Talent Program, die G. Harold and Leila Y. Mathers Charitable Foundation und Die Moxie Foundation.