Sprecher 1: Willkommen beim Podcast „Where Cures Begin“ des Salk Institute, in dem Wissenschaftler mit Ihren Gastgebern Allie Akmal und Brittany Fair über bahnbrechende Entdeckungen sprechen.
Allie Akmal: Kerneinrichtungen sind Ressourcen, die von allen Salk-Laboren gemeinsam genutzt werden, sodass nicht jedes Labor sein eigenes Fachwissen beispielsweise in der Gensequenzierung oder speziellen Mikroskopie entwickeln muss. Ken Diffenderfer leitet eine Stammzellen-Kernanlage, und wir hatten die Gelegenheit, mit ihm darüber zu sprechen, was genau das bedeutet. Was macht ein Stammzellkern?
Ken Diffenderfer: Ja, unser Labor konzentriert sich also darauf, Forschern am Institut Modelle menschlicher Stammzellen zur Verfügung zu stellen, um Alterung, Entwicklung und Krankheiten in menschlichen Zellsystemen zu untersuchen.
Allie Akmal: Erzählen Sie mir ein wenig darüber, was Stammzellen sind, für Leute, die es nicht wissen.
Ken Diffenderfer: Ja, absolut. Tolle Frage. Stammzellen sind also ein Zelltyp, der die unglaublich einzigartige Fähigkeit besitzt, sich in einen anderen Zelltyp umzuwandeln.
Allie Akmal: Und was meinst du mit einem anderen Zelltyp?
Ken Diffenderfer: Rechts. Wir sind sehr komplexe vielzellige Organismen, in denen sich Zellen und Organe und Organsysteme integrieren, um uns zu bilden, nicht wahr? All diese Komplexität kommt letztlich von einer einzigen Zelle, oder? Die Fähigkeit einer Stammzelle, sich zu all diesen einzigartigen Bestandteilen von Organen oder Organsystemen zu entwickeln, macht sie also wirklich einzigartig. Diese Eigenschaft, die ihnen dies ermöglicht, nennen wir Differenzierung. Auf der grundlegendsten Ebene ist eine Stammzelle also eine Zelle, die sich in etwas anderes differenzieren kann.
Allie Akmal: Ist das so etwas wie eine Spezialisierung?
Ken Diffenderfer: Ja, absolut. So kann man es sich vorstellen. Ja. Die Zelle hat also sozusagen keinen definierten Zweck und trifft dann Lebensentscheidungen. Mit der Zeit wird sie zu einer unglaublich spezialisierten Einheit, die innerhalb des Körperteils, in dem sie potenziell existiert, einen ganz eigenen Zweck hat.
Allie Akmal: Wow. Das ist supercool. Sie klingen ziemlich aufgeregt, wenn Sie über Stammzellen sprechen. Wie sind Sie dazu gekommen?
Ken Diffenderfer: Ja. Mein erster Kontakt mit Stammzellen war also als Student an der Cal State Channel Islands und ich hatte die Gelegenheit, mit einem Labor dort zusammenzuarbeiten, das eine neurale Stammzelllinie untersuchte und diese wirklich als eine Art Plattform nutzte, um zu sehen, wie einige Medikamente, die a Chemiker auf dem Campus entwickelte, würde diese Zelle irgendwie dazu bringen, zu reagieren, oder? Würde es dazu führen, dass es mehr oder weniger teilt? Würde es dazu führen, dass diese neurale Stammzelle bestimmte Arten von Neuronen häufiger produziert als andere? Aber es hat mich wirklich genervt, dass diese Zellen unglaublich leistungsfähig sind.
Allie Akmal: Sie haben sie also als Student studiert.
Ken Diffenderfer: Yep.
Allie Akmal: Und dann bist du zur Graduiertenschule gegangen?
Ken Diffenderfer: Ja. Ja. Also besuchte ich auch die Graduiertenschule auf den Cal State Channel Islands. Ich habe dort einen Masterstudiengang absolviert, der die Stammzellentechnologie als Bestandteil beinhaltete. Und ein Teil davon war ein einjähriges Praktikum, das ich vor Ort im Raum San Diego am Scripps Institute absolvierte. Das hat mich irgendwie zu einer Position hier bei Salk geführt.
Allie Akmal: Und welche spannenden Möglichkeiten gibt es für den Einsatz von Stammzellen in der Forschung?
Ken Diffenderfer: Oh ja, ich meine, sie sind reichlich vorhanden und vielfältig. Eine der wirklich spannenden Möglichkeiten, wie wir sie hier am Salk Institute nutzen, ist die Ableitung patientenspezifischer Stammzelllinien zum Zweck der Krankheitserforschung. Dabei handelt es sich um eine Technologie, die von einem japanischen Wissenschaftler namens Shinya Yamanaka entwickelt wurde im Jahr 2006, wo wir effektiv eine dauerhaft differenzierte Zelle nehmen können, eine Zelle, die alle ihre Lebensentscheidungen getroffen hat. Es handelt sich nicht mehr um eine Stammzelle, und wir könnten über eine Biopsie oder eine Blutentnahme auf dieses Material zugreifen und diese Zellen entnehmen und sie bis in die frühen Stadien der menschlichen Entwicklung zurückversetzen.
Allie Akmal: Wie würden Sie das zeitlich rückwärts verschieben?
Ken Diffenderfer: Meistens wird uns dabei eine Hautbiopsie in Form einer sogenannten Stanzbiopsie entnommen, bei der es sich jedoch nur um eine kleine Art Hautkern mit einem Durchmesser von etwa drei Millimetern handelt. Wir nehmen dieses kleine Stück Haut und behandeln es über Nacht mit Enzymen. Und diese Enzyme brechen einfach alle einzelnen Zellen auseinander, die sich sozusagen in dieser Biopsie befinden. Und dann können wir diese Zellen im Wesentlichen auf eine Plastikschale legen, sie wachsen lassen und sie ausdehnen, während sie beginnen, die gesamte Oberfläche der Schale zu bedecken. Und dann können wir diesen Zellen vier Schlüsselgene einführen. Und das sind die vier Schlüsselgene, die Dr. Yamanaka im Jahr 2006 entdeckt hat. Deshalb verwenden wir hochentwickelte Viren, bei denen alle krankheitsverursachenden Elemente entfernt wurden. Und wir nutzen sie im Wesentlichen nur als Shuttles für genetisches Material. Und so infizieren wir die Zellen mit diesen Viren und ermöglichen ihnen dann den Übergang von einer dauerhaft differenzierten, dauerhaft entwickelten Zelle bis zurück in die frühesten Stadien der menschlichen Entwicklung, den wir als Pluripotenz bezeichnet haben.
Ken Diffenderfer: Dieser Prozess dauert also etwa drei bis vier Wochen. Und zwar so, als ob Hautzellen in der Schale hängen und sich dann mit der Zeit leicht zu verändern beginnen. Und wir sehen, wie sich die Hautzellen von diesen sehr länglichen Zellen, die sich sehr eng zusammenballen, in sehr, sehr kleine, dicht verdichtete Zellgruppen verwandeln, die wir Kolonien nennen. Und diese Kolonien sind die induzierten pluripotenten Stammzellen, die sich zu bilden beginnen.
Allie Akmal: An diesem Punkt sind diese Zellen also in der Lage, eine Herzzelle, eine Lungenzelle oder eine Gehirnzelle zu werden?
Ken Diffenderfer: Absolut. Zu diesem Zeitpunkt sind diese Zellen pluripotent, d. h. die einzigartige Fähigkeit einer Stammzelle, sich in absolut jeden Zelltyp im menschlichen Körper zu verwandeln.
Allie Akmal: Wow.
Ken Diffenderfer: Und wenn wir darüber nachdenken, dies auf patientenspezifische Weise zu tun, wie wir es mit den induzierten pluripotenten Stammzelltechnologien können, sind die meisten Menschen sehr, sehr aufgeregt. Ich habe einen Verwandten, der Parkinson hat. Das kann man doch studieren, oder? Ich habe einen Verwandten, der an Mukoviszidose leidet. Das kann man studieren. Es besteht also eine unmittelbare Verbindung, mit der die Menschen beginnen können, diese Technologien zu entwickeln und nicht nur den Wert für die akademische Gemeinschaft und die medizinische Gemeinschaft erkennen, wenn wir diese Krankheiten erforschen und sie besser verstehen, sondern auch, wie diese Erkenntnisse dazu führen können bessere Behandlung, bessere Therapien.
Allie Akmal: Helfen Sie mir also, mir ein Bild davon zu machen, wie der Stammzellkern aussieht. Haben Sie große Flüssigkeitsbehälter, in denen undifferenzierte Stammzellen einfach schwimmen?
Ken Diffenderfer: Ja. Das ist eine tolle Frage. Wir sind buchstäblich gleich um die Ecke. Möchten Sie tatsächlich vorbeikommen und eine Tour machen?
Allie Akmal: Du meinst jetzt?
Ken Diffenderfer: Ja, absolut.
Allie Akmal: Sicher.
Ken Diffenderfer: Ich habe das Gefühl, wir wären in einer Folge von „Radio Lab“. Okay. Betreten wir also den Kern.
Allie Akmal: Okay.
Ken Diffenderfer: Wenn sich die Tür für uns öffnet. Na, bitte. Okay, Allie, willkommen im Salk Stem Cell Core.
Allie Akmal: Danke, Ken.
Ken Diffenderfer: Wir verfügen über einige spezielle Geräte, die es uns ermöglichen, die Zellmodelle, mit denen wir arbeiten, tatsächlich abzubilden. Bei einigen handelt es sich einfach um Standardmikroskope, mit denen wir eine Zellkultur aus einem Inkubator nehmen, auf den Mikroskoptisch legen und visualisieren können, andere sind tatsächlich etwas aufregender. Das möchte ich Ihnen jetzt zeigen.
Allie Akmal: Der Yokogawa Cell Voyager 1000?
Ken Diffenderfer: Ja, das haben wir, das ist also ein cooles System, das uns eine Bildgebung mit sehr hoher Auflösung im konfokalen Stil ermöglicht. Tatsächlich ist diese Kammer jedoch darauf ausgelegt, die Zellen auf 37 Grad Celsius, also Körpertemperatur, zu halten und gleichzeitig eine kleine Menge CO einzuspritzen2 in ihnen, und es ahmt genau die gleichen Bedingungen nach, unter denen die Zellen wachsen, wenn wir sie in Inkubatoren lagern. Und so können wir Bildgebungsexperimente über einen sehr langen Zeitraum durchführen und die Software, die das Mikroskop betreibt, so programmieren, dass sie über einen Tag, zwei Wochen, einen Monat hinweg alle fünf Minuten pro Stunde Bilder aufnimmt.
Allie Akmal: Wow.
Ken Diffenderfer: Und verfolgen Sie wirklich, wie sich Zellen über diesen Zeitraum verhalten, und überwachen Sie diese Veränderungen visuell. Und das ist das, was wir am häufigsten verwenden. Das ist unser Inkuzyt. Bei diesem hier handelt es sich also tatsächlich um ein Mikroskop, das in einem Inkubator lebt. Aber das Besondere an diesem Gerät ist, dass es tatsächlich mehrere Platten gleichzeitig bebildern kann. Im Moment handelt es sich tatsächlich um Bildgebung. Ich kann es also nicht öffnen und Ihnen zeigen.
Allie Akmal: Sieht ein bisschen aus wie ein Weinkühlschrank, aber mit Zellen.
Ken Diffenderfer: Es sieht aus wie ein Weinkühlschrank für Zellen. Ja, ein bisschen wärmer als Ihr Weinkühlschrank. Ja.
Allie Akmal: Okay.
Ken Diffenderfer: Ja.
Allie Akmal: Cool.
Ken Diffenderfer: Das ist es also, was wir in diesem Teil haben. Wenn wir hier den Flur hinuntergehen und einen weiteren unserer Bereiche sehen, ist dieser Bereich ein Bereich, den wir der Medienvorbereitung gewidmet haben. Dies ist ein ziemlich langer Korridor, in dem wir an einer Seite einige Bänke und dann einige Regale mit verschiedenen Glaswaren haben, die wir für Produktion und Medien verwenden.
Allie Akmal: Und wenn Sie Medien sagen, meinen Sie nicht CNN oder NPR?
Ken Diffenderfer: Nein, ich spreche nicht von diesen fantastischen Nachrichtenagenturen. Ich spreche von der Flüssigkeit, in der die Zellen wachsen. Richtig. Und das ist unser Zellkulturmedium. Und viele der Zellmodelle, die hier im Stammzellkern verwendet werden, haben unglaublich spezielle Kriterien für die flüssigen Medien, in denen sie wachsen. Und so haben wir den Luxus, hier über ein gewisses Fachwissen über diese Anforderungen zu verfügen. Und wir können diese komplizierten Medien tatsächlich im eigenen Haus herstellen. Und so machen wir hier in dieser Bucht viel davon. Im Moment ist nicht besonders viel los, aber etwa alle zwei Wochen führen wir eine dieser sehr umfangreichen Vorbereitungen für dieses Spezialmedium durch. Und das alles von Hand. Dafür gibt es weder Roboter noch Automatisierung. Es ist unser kleines Team von Technikern und ich, die diese verschiedenen Komponenten physisch miteinander mischen, sie steril filtern und sie anschließend unserer Benutzerbasis zur Verfügung stellen. Ja.
Allie Akmal: Das ist so, als würde man individuelle Cocktails für Zellen zubereiten.
Ken Diffenderfer: Exakt. Ja. Aber diesen trinken wir leider nicht. Ja. Cool. Wenn wir uns also nach unten bewegen und nach rechts abbiegen, haben wir eine unserer Gewebekulturbuchten, und diese Buchten sind absolut das Herzstück der Anlage. Hier findet die gesamte Zellkulturaktivität statt.
Allie Akmal: Was für Zellen haben Sie heute für uns?
Ken Diffenderfer: Oh mein Gott, wir haben so viele Dinge. Das erste, was ich Ihnen zeigen möchte, sind einige Fibroblasten.
Allie Akmal: Fibroblasten.
Ken Diffenderfer: Fibroblasten. Das sind also Zellen, die wir tatsächlich aus einer kleinen Biopsie menschlicher Haut gewinnen können. Diese Fibroblasten sind eines der sehr, sehr häufigen Ausgangsmaterialien für den IPSC- oder induzierten pluripotenten Stammzellgewinnungsprozess. Rechts. Und die Fibroblasten, die wir heute tatsächlich betrachten, stammen aus einer Zusammenarbeit mit einer großen Gruppe von Forschern an der UCSD, die sich mit der Alzheimer-Krankheit befassen. Diese Fibroblasten stammen also tatsächlich von einer Person mit Alzheimer-Krankheit, und wir lassen sie wachsen. Das hier ist also das Ausgangsmaterial. Und bevor wir uns tatsächlich unter die Lupe nehmen, möchte ich Ihnen nur zeigen, wenn Sie hier in die Vertiefung schauen, und dies war eine unserer Vertiefungsplatten. Wir haben 24 kleine Vertiefungen auf dieser Platte. Und in einer dieser Vertiefungen befindet sich eine sehr, sehr kleine Menge Medien und eine kleine Gewebescheibe, die Sie dort möglicherweise sehen können. Und das ist tatsächlich-
Allie Akmal: Oh ja.
Ken Diffenderfer: Die Haut, die Hautstanzbiopsie, liegt ganz unten auf der Platte. Und wenn diese Biopsien eintreffen, behandeln wir sie über Nacht mit Enzymen. Und dann kommen wir am nächsten Tag vorbei, spülen die Enzyme ab und legen dann die kleine, kleine Gewebescheibe auf den Boden des Tellers, die mit Gelatine kodiert ist, genau der gleichen Gelatine, die Sie zu Hause verwenden würden, um Wackelpudding zuzubereiten. Es handelt sich einfach um eine Art biologische Art der Zellkultur.
Allie Akmal: Wow.
Ken Diffenderfer: Davon. Und dann lassen wir es an der Gelatine haften und tragen die kleinste Menge Medien darauf auf. Gerade so viel, dass es hydratisiert bleibt, aber nicht so viel, dass das Medium über das Gewebe gelangt. Denn wenn das passiert, beginnt das Gewebe zu schweben. Und wir möchten, dass es auf dieser Gelatine sitzt. Und während es auf der Gelatine sitzt, beginnen kleine Zellen aus dieser Biopsie herauszukriechen. Und so gewinnen wir tatsächlich die Zellen aus diesem Gewebe.
Allie Akmal: Wow. Und Sie steuern das Mikroskop mit den Computern, die-
Ken Diffenderfer: Dieses Mikroskop verfügt also über eine kleine Kamera, und so können wir wirklich alle genau das Gleiche zur gleichen Zeit betrachten, anstatt dass sich jeder auf die beiden kleinen Okulare zwängen muss. Wir haben also eine kleine Kamera, die dieses Bild hier auf den Computerbildschirm überträgt. Lassen Sie mich dies angemessen hervorheben. Hier ist der Rand des Taschentuchs. Es ist eine kleine kleine kreisförmige Scheibe. Schauen wir uns um und sehen, ob wir Zellen sehen können. Ich glaube, ich sehe welche. Holen Sie sich diesen Fokus angemessen. Wenn man hier also genau auf den Rand schaut, ist es auf dem Bildschirm etwas schwer zu erkennen. Sie können sehen, dass wir diese kleinen Zellen haben, diese kleinen kreisförmigen Zellen direkt am Rand dieses Gewebes, und dass sie dort sozusagen aus dem Gewebe herauskriechen.
Allie Akmal: Also die kleinen durchscheinenden Kreise, meinst du das?
Ken Diffenderfer: Ja ja. Die hier unten an der Platte befestigten.
Allie Akmal: Okay.
Ken Diffenderfer: Oh ja. Hier gibt es einen viel dynamischeren Bereich. Das ist also wirklich ein größeres, besseres Beispiel dafür, und Sie können hier sehen, dass ich mich im oberen Teil der Biopsie befinde, dass dieser Bereich sehr aktiv ist und Zellen herauskriechen.
Allie Akmal: Um es deutlich zu sagen: Wir sehen keine Bewegung in Echtzeit, aber es gibt eine größere Konzentration von Zellen am Rand des Biopsiegewebes, deren Bewegung nach außen offensichtlich wäre, wenn wir ein früher aufgenommenes Bild betrachten würden. Es sieht fast aus wie ein Riff im Ozean.
Ken Diffenderfer: Ja.
Allie Akmal: Das sehen Sie unter der Oberfläche.
Ken Diffenderfer: Ja. Absolut. So könnte man es sich vorstellen. Ja Ja Ja. Als nächstes werden euch pluripotente Stammzellen induziert. Sie sehen aus wie eine sehr, sehr kompakte, dichte Zellgruppe, die wir normalerweise in der frühen menschlichen Entwicklung sehen würden.
Allie Akmal: Etwa kurz nachdem ein Spermium eine Eizelle befruchtet hat?
Ken Diffenderfer: Ja, ungefähr fünf Tage danach.
Allie Akmal: Wow.
Ken Diffenderfer: Ja. Ja. Aber diese Zellen stammen nicht aus diesem Prozess. Rechts? Dabei handelt es sich um induzierte pluripotente Stammzellen, die aus menschlicher Haut stammen und die wir in den Zustand induzierter pluripotenter Stammzellen umprogrammiert haben. Sie imitieren jedoch immer noch viele dieser Eigenschaften und Verhaltensweisen, die wir bei einem embryonalen Stamm sehen würden Zelle.
Allie Akmal: Das ist erstaunlich.
Ken Diffenderfer: Was ich Ihnen als Nächstes zeigen möchte, ist einer der spannenden Endpunkte, die wir generieren können. Und das sind Kardiomyozyten oder Herzmuskelzellen. Okay. Und das sehr, sehr Coole an diesen Zellen ist, dass die reifen Zellen etwas sehr, sehr Cooles tun, während wir sie von pluripotenten Stammzellen unterscheiden und reifen. Hoffentlich könnt ihr es sehen.
Allie Akmal: Oh mein Gott.
Ken Diffenderfer: Dass diese Zellen tatsächlich rhythmisch pulsieren.
Allie Akmal: Ja.
Ken Diffenderfer: Und das ist kein Trick. Ich schüttle nicht den Teller. Das ist es, was diese Zellen tun, wenn sie reifen.
Allie Akmal: Das ist verrückt. Sie sind alle synchronisiert.
Ken Diffenderfer: Sie sind einigermaßen synchronisiert, oder? Immer noch nicht die dramatische Organisation eines Vierkammerherzens, die wir erwarten würden. Aber es ist kein Zufallsereignis. Rechts? Selbst in einer einschichtigen, einzelnen Schicht von Zellen gibt es eine gewisse Organisation, die Folgendes bewirkt:
Allie Akmal: Ja, es ist wild. In den frühesten Phasen wissen sie irgendwie, was sie tun sollen.
Ken Diffenderfer: Ja. Ja. Das ist es also, was wir hier sehen.
Allie Akmal: Das ist wirklich erstaunlich.
Ken Diffenderfer: Schlagende Herzzellen. Ja.
Allie Akmal: Das ist so…
Ken Diffenderfer: Es ist also schwer zu beschreiben, oder?
Allie Akmal: Es ist schwer, mit der Suche aufzuhören.
Ken Diffenderfer: Es ist sehr schwer, mit der Suche aufzuhören. Wir werden diesbezüglich sehr geekig und lieben es, uns das anzuschauen. Wenn wir einen schlechten Tag haben, kommen wir einfach vorbei und schauen uns die Kardiomyozyten an.
Allie Akmal: Es ist wirklich beruhigend.
Ken Diffenderfer: Geh um sie herum. Ja. Wir brauchen hier nur Musik im Zen-Stil. Wir können uns alle entspannen. Holt die Yogamatten raus.
Allie Akmal: Sehr cool.
Ken Diffenderfer: Ja.
Allie Akmal: Und wie lange können diese so draußen bleiben?
Ken Diffenderfer: Ja, die Kardiomyozyten in unseren Händen reagieren also ohnehin sehr empfindlich auf Temperaturänderungen. Wenn diese also außerhalb des Brutkastens bleiben, werden sie langsamer und hören schließlich auf zu schlagen. Wir werfen sie zurück in den Brutkasten, innerhalb weniger Stunden beginnen sie wieder zu schlagen. Okay. Wenn wir bei diesen Zellen das Medium wechseln, beobachten wir außerdem, dass sie langsamer werden oder aufhören zu schlagen. Und wenn wir sie dann innerhalb weniger Stunden wieder in den Brutkasten werfen, schlagen sie wieder. Also Leute, eigentlich habe ich diese für euch gerettet, als wir vorhin vorbeikamen.
Allie Akmal: Wie ist das?
Ken Diffenderfer: Einer unserer Techniker hier war dabei, bei all diesen Medien das Medium zu wechseln. Also habe ich ihn kurz zuvor erwischt.
Allie Akmal: Oh wow.
Ken Diffenderfer: Sonst würden wir derzeit wahrscheinlich keine schlagenden Zellen sehen.
Allie Akmal: Wow.
Ken Diffenderfer: Ja.
Allie Akmal: Sie hätten sich einfach ausgeruht und sich an die neuen Medien gewöhnt.
Ken Diffenderfer: Sie hätten sich ausgeruht und sich an die neuen Medien gewöhnt. Exakt.
Allie Akmal: Oh mein Gott, Sie haben uns die große Tour gezeigt.
Ken Diffenderfer: Vielen Dank.
Allie Akmal: Du hast alle Highlights getroffen.
Ken Diffenderfer: Vielen Dank, dass Sie vorbeigekommen sind. Ich bin so froh, dass wir heute ein wenig von den Zellen mit Ihnen teilen und Ihnen dies zeigen können.
Sprecher 1: Seien Sie das nächste Mal dabei und erfahren Sie mehr über die neueste Salk-Wissenschaft. Bei Salk arbeiten weltbekannte Wissenschaftler zusammen, um große, mutige Ideen zu erforschen, von Krebs bis Alzheimer, vom Altern bis zum Klimawandel. Where Cures Begin ist eine Produktion des Office of Communications des Salk Institute. Um mehr über die heute besprochene Forschung zu erfahren, besuchen Sie salk.edu/podcast.