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Forschungsbericht (importiert) 2009 - Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin

Sanfter Reset: Körperzellen lassen sich leichter reprogrammieren als erwartet

Gentle reset: Reprogramming of somatic cells is easier than expected

Autoren

Kim, Jeong Beom; Zaehres, Holm; Schöler, Hans R.

Abteilungen

Zell- und Entwicklungsbiologie (Schöler) (Prof. Dr. Hans Schöler)
MPI für molekulare Biomedizin, Münster

Forscher des MPI für molekulare Biomedizin in Münster haben einen wichtigen Fortschritt auf dem Weg zu patienteneigenen Stammzellen erzielt. Ihnen ist es gelungen, ausgereifte Körperzellen mit weniger Eingriffen als bisher nötig in ihren embryonalen Urzustand zurückzuversetzen: Statt eines „Cocktails“ aus vier Genen benötigten die Wissenschaftler lediglich zwei. Dadurch könnten künftige Stammzelltherapien einfacher und sicherer werden.
Researchers of the MPI for Molecular Biomedicine in Münster have made an important advancement towards obtaining patient-specific stem cells. They have succeeded in resetting adult somatic cells to an embryonic original state with less intrusions than previously necessary: instead of a „cocktail“ of four genes, the scientists needed merely two. This could make future stem cell therapies simpler and safer.

Einleitung

Sie sind winzig und unscheinbar – und doch halten sie Forscher, Mediziner und Patienten seit einigen Jahren in Atem: Stammzellen aus menschlichen Embryonen sind zu einem der heißesten Objekte biomedizinischer Forschung avanciert. Denn dadurch, dass es US-Wissenschaftlern 1998 gelungen ist, diese Zellen im Labor zu züchten [1], hat ein alter Menschheitstraum neue Nahrung erhalten: Erstmals könnte es damit möglich werden, kranke und verletzte Gewebe durch Zugabe frischer, gesunder Zellen zu ersetzen und damit bislang unheilbare Krankheiten wie Parkinson oder Diabetes zu behandeln.

Noch ist offen, wann die ersten Therapien – wenn überhaupt – verfügbar werden. Schon jetzt aber steht fest: Der Coup des Teams um James Thomson von der University of Wisconsin ist ein Meilenstein der Biologie. Normalerweise finden sich embryonale Stammzellen (ES-Zellen) nämlich nur in einem sehr frühen Stadium der Entwicklung – dann, wenn fünf bis sechs Tage nach der Befruchtung einer Eizelle durch mehrere Teilungen ein kugelförmiges Gebilde aus 150 bis 200 Zellen entstanden ist. Die Stammzellen befinden sich im Inneren dieser Blastozyste und haben eine faszinierende Fähigkeit: Sie sind in der Lage, jeden der mehr als 200 verschiedenen Zelltypen des menschlichen Körpers mit allen seinen Organen und Gliedmaßen zu bilden.

Um mehr über die Multitalente zu erfahren, hatten Wissenschaftler schon früh versucht, menschliche ES-Zellen zu isolieren und im Labor zu züchten. Doch lange Zeit schlug jeder Versuch fehl. Denn Stammzellen sind extrem empfindlich. Es kommt nicht nur darauf an, dass die Embryonen, aus denen man sie gewinnt, intakt und lebensfähig sind. Ebenso wichtig ist, dass man weiß, mit welchen Nährstoffen sie in der Kulturschale versorgt werden müssen, damit sie gesund und am Leben bleiben. Mittlerweile ist die Züchtung menschlicher ES-Zellen freilich fast ein Routine-Verfahren. Heute gibt es weltweit mehr als 500 verschiedene Kulturen [2]. Und jedes Jahr kommen weitere Zell-Linien hinzu.

Multitalente mit Schattenseiten

All diese Kulturen haben allerdings einen entscheidenden Nachteil. Zwar lassen sich die Zellen im Prinzip unbegrenzt in der Kulturschale vermehren. Doch selbst wenn sie eines Tages zur Therapie bestimmter Krankheiten einsetzbar sein sollten, stehen Ärzte vor einem Problem, mit dem sie schon heute bei Organtransplantationen zu kämpfen haben: der Abstoßung von körperfremdem Gewebe. Um diese bedrohliche Immunreaktion zu verhindern, müssten die Behandelten lebenslang Medikamente einnehmen, welche die körpereigene Krankheitsabwehr schwächen. Das macht anfällig für Infektionen und erhöht das Krebsrisiko.

Warum aber, fragten sich viele Forscher seither, sollte es nicht möglich sein, die biologische Uhr zurückzudrehen? Zum Beispiel, indem man einige körpereigene Zellen des Patienten isoliert und im Labor wieder in einen ähnlichen Zustand versetzt, in dem sie sich ohnehin schon einmal befunden haben, als dieser noch ein Embryo war?

Allein der Gedanke an eine solche Möglichkeit schien noch bis vor wenigen Jahren absurd. Denn nach gängiger Lehrmeinung war die Sache ein klarer Fall: Sobald ein Mensch, ein Hund oder eine Maus geboren ist, gibt es für den Organismus kein Zurück. Ob Haut oder Haar, Fettgewebe oder Blut – keine spezialisierte Zelle des Körpers, so glaubte man, kann je wieder etwas anderes werden als sie ist.

Und sie verwandeln sich doch ...

Gleich mehrere Forscherteams haben dieses Dogma inzwischen widerlegt – darunter auch die Zellbiologen Jeong Beom Kim und Holm Zaehres vom Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin in Münster. Ihnen ist es als Ersten geglückt, Zellen erwachsener Mäuse mit lediglich zwei Faktoren in ihren embryonalen Zustand zurückzuversetzen und sie damit so umzuprogrammieren, dass sie jeden der mehr als 200 Zelltypen des Körpers bilden können (Abb. 1) [3].

Lichtmikroskopische Aufnahme (Phasenkontrast) einer Kolonie von induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS-Zellen), die durch Zugabe zweier Faktoren a Bild vergrößern
Lichtmikroskopische Aufnahme (Phasenkontrast) einer Kolonie von induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS-Zellen), die durch Zugabe zweier Faktoren aus neuralen Stammzellen gewonnen wurden. Diese 2-Faktor-iPS-Zellen wachsen, wie sonst embryonale Stammzellen auch, auf einer Nährschicht bestehend aus Fibroblasten. [weniger]

Damit konnten Kim und Zaehres nicht nur zeigen, dass die so genannte Reprogrammierung von Körperzellen unter bestimmten Bedingungen einfacher funktioniert als bisher angenommen. Vieles spricht auch dafür, dass die von ihnen entwickelte Methode die Risiken zukünftiger Stammzelltherapien für die Patienten deutlich reduzieren könnte.

Keine Frage: Den ersten entscheidenden Durchbruch auf dem Gebiet der Reprogrammierung hatten japanische Wissenschaftler vor zwei Jahren erzielt. Um die so genannten induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS) zu erzeugen, hatte das Team um Shinya Yamanaka weder Eizellen noch Embryonen benötigt. Es genügte, vier Gene in das Erbgut der Hautzellen einzuschleusen: Oct4, Sox2, c-Myc und Klf4 [4]. Der Haken daran war nur: Viele der Tiere, denen man iPS-Zellen implantiert hatte, erkrankten wenige Wochen später an Krebs.

Aus vier mach zwei

Kim und Zaehres aus dem Team von Hans Schöler suchten daher nach Zellen, in deren Erbgut das eine oder andere der vier Reprogrammier-Gene natürlicherweise aktiv ist. Fündig wurden sie mit Zellen aus dem Hirn von Mäusen. In Untersuchungen an Zellen der Maus fanden sie heraus, dass so genannte neurale Stammzellen aus dem Gehirn von Natur aus erhöhte Mengen der Produkte von Sox2 und c-Myc bilden [3].

Neurale Stammzellen sind Vorläuferzellen, die zu verschiedenen Zelltypen des zentralen Nervensystems wie Neuronen, Astrozyten und Oligodendrozyten heranreifen können und die sich vergleichsweise leicht im Labor züchten lassen. Wie Kim und Zaehres nun zeigen konnten, reicht es für die Reprogrammierung dieser Stammzellen bereits aus, zwei der vier Gene aus dem Cocktail einzuschleusen: entweder Oct4 zusammen mit Klf4 oder aber Oct4 in Kombination mit c-Myc (Abb. 2).

In neuralen Stammzellen sind die Gene für Sox2 und c-Myc aktiviert, sodass die Induktion durch Oct4 und Klf4 ausreicht, um die Zellen in ein embryonal Bild vergrößern
In neuralen Stammzellen sind die Gene für Sox2 und c-Myc aktiviert, sodass die Induktion durch Oct4 und Klf4 ausreicht, um die Zellen in ein embryonales Stadium zurückzuversetzen. Vergleichende Analysen bestätigten die Ähnlichkeit der induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS Zellen) zu embryonalen Stammzellen. [weniger]

Die Nutzung neuraler Stammzellen für spätere Therapien sei zwar unwahrscheinlich, räumen die Forscher ein. Denn die Zellen kommen vorwiegend im Gehirn vor. Sie lassen sich daher schlecht beim Menschen isolieren. Dank der neuen Erkenntnisse können Forscher jetzt aber gezielter nach Zelltypen im Körper suchen, die sich ähnlich gut eignen, aber leichter zugänglich sind.

Das Feintuning hat bereits begonnen

Zudem ist es mithilfe neuraler Stammzellen jetzt deutlich leichter, Wirkstoffe zu suchen, die die Reprogrammierung anstelle von Viren anschieben können. Solche kleinen, biologisch aktiven Verbindungen, im Fachjargon small molecules oder chemical compounds genannt, gelten als Hoffnungsträger der Stammzellforschung. Denn anders als beim Einschleusen von Genen lässt sich die Dauer und Stärke der Wirkung kleiner Moleküle viel genauer steuern: Sobald die Zellen erst einmal reprogrammiert sind, kann in ihnen das normale Entwicklungsprogramm ablaufen. Eingeschleuste Viren dagegen bleiben für immer im Erbgut – und können jederzeit aktiv werden und zum Beispiel Krebsgene aktivieren.

Die ersten, wichtigen Erfolge bei der Suche nach geeigneten Wirkstoffen konnte Schölers Team kürzlich bereits verbuchen [5; 6]. Gemeinsam mit Kollegen vom Scripps Research Institute im kalifornischen La Jolla haben die Forscher ein kleines chemisches Molekül entdeckt, mit dem sie in neuralen Stammzellen den Effekt eines eingeschleusten Oct4-Gens ersetzen können [5]. Und vieles spricht dafür, dass das auch bei den anderen Faktoren gelingen wird. Denn Oct4 hat eine Schlüsselrolle bei der Reprogrammierung. Nur kurze Zeit später zeigte dasselbe internationale Forscherteam, dass in Fibroblasten – für deren Reprogrammierung bislang vier Faktoren benötigt wurden – in Gegenwart von kleinen Molekülen nur noch zwei Faktoren genügten [6]. Diese Ergebnisse lassen die Forscher hoffen, dass in absehbarer Zeit auch die restlichen zwei Gene durch kleine Moleküle ersetzt werden können. Das würde die Chance eröffnen, nicht nur einige wenige, sondern alle Zellarten des Körpers für Stammzelltherapien zu nutzen.

Originalveröffentlichungen

1.
J. A. Thomson, J. Itskovitz-Eldor, S. S. Shapiro, M. A. Waknitz, J. J. Swiergiel, V. S. Marshall, J. M. Jones:
Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts.
2.
P. Löser, A. M. Wobus:
Aktuelle Entwicklungen in der Forschung mit humanen embryonalen Stammzellen.
3.
J. B. Kim, H. Zaehres, G. Wu, L. Gentile, K. Ko, V. Sebastiano, M. J. Arauzo-Bravo, D. Ruau, D. W. Han, M. Zenke, H. R. Schöler:
Pluripotent stem cells induced from adult neural stem cells by reprogramming with two factors.
4.
K. Takahashi, S. Yamanaka:
Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors.
5.
Y. Shi, J. T. Do, C. Desponts, H. S. Hahm, H. R. Schöler, S. Ding:
A combined chemical and genetic approach for the generation of induced pluripotent stem cells.
6.
Y. Shi, C. Desponts, J. T. Do, H. S. Hahm, H. R. Schöler, S. Ding:
Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic fibroblasts by Oct4 and Klf4 with small-molecule compounds.
 
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