Einer der Träume der Medizin ist die Verwendung von Stammzellen als eine Art Ersatzteillager. Mit der Reprogrammierung differenzierter Zellen rückt dieser Traum, nicht abstoßbare, gesunde Organe zu erzeugen, ein Stück weiter in den Bereich des Möglichen

Melchner, Harald von

Schnütgen, Frank

German

Hochschulschriftenserver - Universität Frankfurt am Main

48 Forschung Frankfurt 1/2013ReprogrammierungDie Zeit für die  Zelle zurückdrehenReprogrammierung als Chance für die regenerative MedizinDie Entwicklung eines jeden Men-schen beginnt mit der Verschmel-zung von Eizelle und Spermium. Durch Zellteilungen vermehrt sich der Embryo innerhalb der ersten drei bis vier Tage auf 16 bis 32 Zellen. Jede einzelne Zelle ist in diesem frühen Stadium noch in der Lage, einen kompletten Or-ganismus zu bilden: Sie kann sich in jeden Zelltyp des erwachsenen Menschen verwandeln. Man nennt diese Alleskönner daher totipo-tent (lat.: totus = ganz und potus = fähig, also »zu allem fähig«). Ab von Frank Schnütgen und Harald von MelchnerEiner der Träume der Medizin ist die Verwendung von Stammzellen als eine Art Ersatzteillager. Mit der Reprogrammierung differenzierter Zellen rückt dieser Traum, nicht abstoßbare, gesunde Organe zu erzeugen, ein Stück weiter in den Bereich des Möglichen.diesem Zeitpunkt beginnt die erste Differenzierung der Zellen. Der bis dahin kugelige Zellhaufen bildet eine Hülle aus Trophoblasten, aus denen sich die Plazenta und die Fruchthülle entwickeln werden. Im höhlenartigen Inneren entsteht aus einer inneren Zellmasse der Embryoblast. Er besteht aus em-bryonalen Stammzellen, die nun nicht mehr totipotent, sondern nur noch pluripotent (lat.: plus, pluris = mehr) sind. Aus ihnen entsteht im Verlauf der nächsten Monate der vollständige Mensch.Durch die Differenzierungspro-zesse während der Embryonalent-wicklung entstehen letztendlich mehrere Hundert Zelltypen mit unterschiedlichen Aufgaben wie zum Beispiel: motorische Neuro-nen, die Reize vom Gehirn zu den Muskeln weiterleiten, Herzmuskel-zellen, die autonom kontrahieren und so den Herzschlag erzeugen, oder Leberzellen, deren vorherr-schende Aufgabe die Verwertung von Nährstoffen im Körper ist. Wenn durch genetische Mutatio-nen diese Zellen an der Erfüllung Frank Schnütgen (links im Bild)  und sein Dokto-rand Duran Sürün beobachten indu-zierte pluripotente Zellen (auf dem Monitor vergrößert dargestellt) unter einem Inversmik-roskop.Forschung Frankfurt 1/2013 49ReprogrammierungAn dieser Steril-Werkbank wird ein lami-narer, reiner Luftstrom von oben einge-blasen und unten abgesaugt. So können während der Arbeit weder Staub noch kontaminierende Bakterien oder Pilze in die Zellkulturen gelangen.ihrer Aufgabe gehindert werden, entstehen Krankheiten. Manche schränken die Lebensqualität des Menschen ein, andere sind le-bensbedrohlich. Vollständig heilen kann man solche Krankheiten nur, indem man die genetischen Verän-derungen in der Zelle korrigiert. Eine derartige Korrektur wird in der Regel nicht in den jeweiligen differenzierten Zellen versucht, sondern bereits in embryonalen Stammzellen. Embryonale Stamm-zellen lassen sich nämlich – im Gegensatz zu den meisten ausdiffe-renzierten Zellen – in Gewebekul-tur zeitlich unbegrenzt vermehren. Sie können dann korrigiert werden und in Gegenwart bestimmter Sig-nalmoleküle gerichtet zu denjeni-gen Zelltypen differenziert werden, die ursprünglich eine Mutation aufwiesen. Nach Transplantation ersetzten diese korrigierten Zellen dann die erkrankten Zellen eines Patienten. Die Möglichkeit zur extrakorporalen Vermehrung und Froschembryos übertrugen und diese daraufhin zu ausgewachsenen Fröschen heranwuchsen. Einige Jahre später gelang es John Gurdon in einem ähnlichen Verfahren, auch durch Injektion von Zellkernen aus ausdifferenzierten Zellen in ein-zellige, totipotente Froschembryos gesunde Frösche zu erzeugen. Es sollte aber noch 45 Jahre dauern, bis es Campbell und Wilmut ge-lang, über Kerntransfer das erste Säugetier zu erzeugen, nämlich das klonierte Schaf Dolly, das aus der Verschmelzung eines Brustdrü-senzellkerns mit einer entkernten Eizelle entstand. Diese Arbeiten zeigten, dass die Zelldifferenzierung nun doch keine Einbahnstraße ist, weil differenzierte Zellen im Umfeld einer Eizelle in einem als Repro-grammierung bezeichneten Prozess zu pluripotenten Stammzellen de-differenzieren können. Ein neuer, nicht auf Zellen em-bryonaler Herkunft angewiesener Reprogrammierungsprozess wurde in den bahnbrechenden Arbeiten von Shin’ya Yamanaka und Ka-zutoshi Takahashi aus dem Jahr 2006 beschrieben. Die japanischen Forscher identiﬁzierten eine Reihe von Genen, die ohne Kerntransfer in der Lage waren, eine differen-zierte Zelle in eine pluripotente Stammzelle zu konvertieren. Sie starteten mit 24 Kandidatengenen, die sie mithilfe von Retroviren in ausdifferenzierte Bindegewebs-zellen (sogenannte Fibroblasten) einbrachten. Nach dem Test ver-schiedener Kombinationen wurde die Reprogrammierung auf die Ak-tivität von nur vier Genen (c-Myc, Klf-4, Oct-4 und Sox-2) eingeengt. Zur Abgrenzung von natürlichen embryonalen Stammzellen wer-den die aus differenzierten Zellen erzeugten Stammzellen induzierte pluripotente Stammzellen (iPS) genannt.Die Arbeiten von Yamanaka haben die biologisch-medizini-schen Naturwissenschaften und Differenzierung von embryonalen Stammzellen bildet die Voraus-setzung für das visionäre Ziel, patientenspeziﬁsche Zellen zur Be-handlung von genetisch bedingten Erkrankungen einzusetzen. Die Zeit zurückdrehenDoch wie gewinnt man embryo-nale Stammzellen aus dem Körper eines erwachsenen Menschen? Lange glaubte man, dass der Weg von embryonaler Stammzelle zu differenzierten Zellen eine Ein-bahnstraße ist. Erste Hinweise, dass dem nicht so ist, fanden Robert Briggs und Thomas J. King bereits 1952, als sie Zellkerne aus frühen embryonalen, omnipotenten Zellen in entkernte, einzellige totipotente 50 Forschung Frankfurt 1/2013Reprogrammierunginsbesondere das Stammzellfeld revolutioniert. 2012 erhielt er da-für den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin. Mittlerweile können iPS-Zellen nicht nur durch vira-len Gentransfer erzeugt werden, sondern auch mit Boten-RNA, microRNA oder synthetischen Pro-teinen. Der Wermutstropfen: Alle Verfahren sind zurzeit noch sehr inefﬁzient und zeitaufwendig. Medikamente testen –  Krankheiten heilen Eine Vision der Forscher ist die Verwendung von iPS-Zellen bei der Entwicklung von Medikamenten. Die Idee ist, die Reaktion Patien-ten-speziﬁscher iPS-Zellen auf be-stimmte Wirkstoffe in Gewebekul-tur zu testen. Die bislang zu diesem Zweck benutzten Zelllinien müssen im Vorfeld mit gentechnischen Me-thoden erst mühsam generiert wer-den. Eine weitere Voraussetzung ist, dass die krankheitsrelevante genetische Veränderung bekannt sein muss. Obwohl es bislang noch keine Hochdurchsatz-Studie zum Screening von Medikamenten auf iPS-Zellen gibt, ist eine derartige Studie angesichts der rasanten Entwicklung der iPS-Technologie in nächster Zukunft zu erwarten. Ebenfalls in greifbarer Nähe scheint der Einsatz von iPS-Zell-basierten Zellkulturmodellen zu sein, mit de-nen Patienten-speziﬁsche pathoge-ne Mechanismen untersucht wer-den können. Dies ist eine wichtige Voraussetzung für die Entwicklung individualisierter Therapien.Die Korrektur von Gendefekten steht dagegen noch am Anfang [Vergleiche Beitrag von Hildegard Büning und Manuel Grez, Seite 28]. Erste Schritte auf diesem Weg bestehen darin, zu zeigen, dass die Zellen von Patienten mit unter-schiedlichen Erkrankungen auch reprogrammierbar sind, was bei einer Reihe von Erkrankungen bereits gelungen ist. So konnten beispielsweise iPS-Zellen für neu-rologische Erkrankungen wie erb-lich bedingten Morbus Parkinson oder Chorea Huntington erzeugt werden, aber auch für Blutkrank-Zellen werden in speziell zugeschnitte-nem Zellkulturmedium gezüchtet. Ein pH-Indikator zeigt durch Farbumschlag an, wie viel Nährlösung verbraucht wurde.Diese embryonalen Stammzellen der Maus ﬁnden sich in der inneren Zell-masse im Blastozystenstadium eines sehr frühen Embryos. Sie lassen sich daraus isolieren und in Zellkultur für unbegrenzte Zeit in undifferenziertem Zustand kultivieren. Über verschiedene zellbiologische Protokolle können sie in andere Zellen ausdifferenziert oder ge-netisch modiﬁziert werden.●  Gen-Korrekturen macht man bevorzugt in pluripotenten em-bryonalen Stammzellen. Da man diese Zellen beim Erwachsenen nicht gewinnen kann, versuchen Forscher, differenzierte Zellen zu reprogrammieren.●  Induzierte pluripotente Stamm-zellen (iPS-Zellen) könnten in naher Zukunft dazu dienen, Me-dikamente Patienten-speziﬁsch zu testen.●  Im Tiermodell können iPS-Zellen zu speziﬁschen Zellen differen-ziert werden, die dann degene-rierte oder abgestorbene Zellen ersetzen. Bis sich aus iPS-Zellen ganze Organe entwickeln lassen, ist es noch ein weiter Weg.Auf den Punkt gebracht ◉ ◀heiten (Fanconi-Anämie), Muskel-erkrankungen (Muskeldystrophie) und metabolische Erkrankungen (Diabetes). Auch bei degenerativen Erkrankungen, wie zum Beispiel Herzerkrankungen (Herzinfarkt), kann man die abgestorbenen oder nicht mehr funktionierenden Zel-len durch gesunde Zellen ersetzen, Forschung Frankfurt 1/2013 51Reprogrammierungdie aus Stammzellen gewonnen wurden. In den meisten Fällen konnten die iPS-Zellen im Hinblick auf eine zukünftige Zelltherapie auch in die gewebespeziﬁschen Zelltypen differenziert werden. Regenerative Medizin  statt Organtransplantation?Organtransplantationen haben den Nachteil, dass sie den Organismus mit fremden, »allogenen« Zellen konfrontieren. Bei 30 bis 40 Pro-zent der Tansplantations-Patienten kommt es daher zu Abstoßungs-reaktionen. Die dauerhafte Gabe von Immunsuppressiva kann diese Reaktionen zwar mildern oder auch vollständig unterdrücken. Allerdings gelingt dies nicht immer. Etwa 10 Prozent der allogenen Organtransplantationen führen zu schwer kontrollierbaren und lebensbedrohlichen Abstoßungsre-aktionen. Um diese zu vermeiden, wären aus Empfänger-iPS-Zellen generierte Transplantate die idea-le Lösung. Dazu müsste man die Patienten-iPS-Zellen in genügen-der Zahl vermehren, genetisch kor-rigieren und anschließend in die gewünschten Organe ausdifferen-zieren. Obwohl dies mit zirkulie-renden Blutzellen zumindest expe-rimentell bereits möglich ist, liegt die Erzeugung dreidimensionaler Organstrukturen aus iPS-Zellen noch in ferner Zukunft. Beispielhaft sei hier erwähnt, dass mit der iPS-Zelltechnologie eine genetisch bedingte Hämoglo-bin-Erkrankung (Sichelzellanämie) im Mausmodell geheilt werden konnte. Hierfür wurden aus Haut-zellen gewonnene iPS-Zellen gene-tisch korrigiert, in Blutstammzellen differenziert und den erkrankten Mäusen transplantiert, was zu einer deutlichen und stabilen Ver-besserung des Krankheitsbildes führte. Obwohl diese Studie zum ersten Mal das Potenzial der rege-nerativen Medizin im Versuchstier demonstrieren konnte, ist das Ver-fahren noch lange nicht auf den Menschen übertragbar. Dies liegt hauptsächlich darin begründet, dass die Qualität der iPS-derivier-ten Zellen noch viel zu wünschen übrig lässt. Zum einen können durch die Einführung der Repro-grammierungsfaktoren bösartige Tumoren induziert werden, zum anderen führen die Reprogram-mierungs- und Differenzierungs-schritte häuﬁg zu neuen pathologi-schen genetischen Veränderungen. Ähnliche Ansätze wurden auch bei Erkrankungen anderer Gewebe ausprobiert. So konnten aus iPS-Zellen der Maus Neuronen erzeugt werden. Nachdem sie in ein Rat-tenmodell für Morbus Parkinson transplantiert worden waren, kam es zu einer Linderung der klini-schen Symptome. Ebenso verbes-serten aus humanen iPS-Zellen gewonnene Herzmuskelzellen die Herzfunktion in einem Mausmo-dell für Herzinfarkt. Eine erste klinische Studie mit iPS-Zellen wurde im März die-ses Jahres vom RIKEN Institut in Japan zur Behandlung der alters-bedingten Makuladegeneration (AMD) beantragt. Diese weitver-breitete und bisher unbehandelbare Augenkrankheit führt aufgrund ei-ner irreversiblen Degeneration des Pigmentepithels zum Erblinden. In der japanischen Studie werden iPS-Zell-derivierte, patientenspeziﬁsche Pigmentepithelzellen in das Auge implantiert. Anders als iPS-Zellthe-rapien für Erkrankungen anderer Gewebe, ist eine Zelltherapie am Auge weitaus weniger riskant, weil die implantierten Zellen durch die besondere Anatomie des Auges vom Organismus abgeschottet sind. Privatdozent Dr. Frank Schnütgen, 44, ist Chemiker in der Abtei-lung Molekulare Hämatologie von Prof. Harald von Melchner und habilitierte sich 2008 an der Uni-versitätsklinik Frankfurt. Nach seinem Studium in Münster ab-solvierte er als Marie-Curie-Sti-pendiat von 1998 bis 2001 ein Postdoktoranden-Studium am Ins-titut de Génétique et de Biologie Moléculaire et Cellu- laire in Strasbourg bei Professor Pierre Chambon. Von dort wechselte er nach Frankfurt und übernahm hier die Gruppenleitung für Genfallen-Entwicklung für das Deut-sche Genfallenkonsortium (GGTC) und das Europäische konditionale Maus-Mutagenese Projekt (EUCOMM). Sei-ne Hauptinteressen liegen in der Entwicklung von Stra-tegien zur gerichteten genetischen Veränderung von Zel-len sowie in neuartigen Ansätzen zur Gentherapie beim Menschen.Zur PersonFrank SchnütgenDie Zeit vergesse ich beim Mountainbiken in den Wäldern des Spessarts.Wer es in einem Fachgebiet zu etwas bringen  will, braucht Geduld, Kreativität und Aus- dauer.Erfolge feiere ich still.Ich rege mich über Leute auf, die sich über  andere stellen. Als Jugendlicher wollte ich immer schon Chemi-ker werden, weil mich die Welt des ganz Klei-nen von Anfang an interessierte.Rat suche ich bei meiner Familie.Den Kindern rate ich: »Lebt Euren Traum!«schnuetgen@em.uni-frankfurt.deDer Inkubator ahmt die Bedingungen im Körper nach. Hier werden die Zellen bei einer konstanten Temperatur von 37° C und einem CO2-Gehalt von fünf Prozent in einem feuchten Millieu gehalten.AnzeigeWir freuen uns auf Ihren Besuch!Speis+TrankAM  CAMPUS WESTENDBildnachweis : Johann Heinrich Wilhelm Tischbein, Goethe in der römischen Campagna, 1787,  Städel Museum, Frankfurt am Main, Foto: Städel Museum - ArtothekSturm und DrangTel: 069 / 798 34551Email: info@cafe-sturm-und-drang.dewww.cafe-sturm-und-drang.deTÄGLICH WECHSELNDE SPEISEN | FIRMEN- UND FAMILIENFEIERN | CATERINGWir freuen uns auf Ihren Besuch!Speis+TrankAM  CAMPUS WESTENDBildnachweis : Johann Heinrich Wilhelm Tischbein, Goethe in der römischen Campagna, 1787,  Städel Museum, Frankfurt am Main, Foto: Städel Museum - ArtothekSturm und DrangTel: 069 / 798 34551Email: info@cafe-sturm-und-drang.dewww.cafe-sturm-und-drang.deTÄGLICH WECHSELNDE SPEISEN | FIRMEN- UND FAMILIENFEIERN | CATERING52 Forschung Frankfurt 1/2013ReprogrammierungInsgesamt lässt sich festhalten, dass es in der durch iPS-Zellen ge-triebenen regenerativen Medizin noch zahlreiche Engpässe gibt, deren Behebung in Zukunft an-steht. Zum einen ist die efﬁziente Erzeugung von iPS-Zellen ohne Einführung von permanenten genetischen Veränderungen noch recht problematisch. Ebenso ist es schwierig, die potenziell Tumoren erzeugenden Reprogrammierungs-faktoren anschließend zu entfer-nen. Zum anderen sind die bis-herigen Gen-Reparaturstrategien suboptimal, weil für eine gezielte Korrektur von Mutationen patien-tenspeziﬁsche Verfahren entwickelt werden müssen, die sehr viel Zeit und Geld in Anspruch nehmen würden. Deswegen sind standar-disierte Gen-Reparaturverfahren erforderlich, die auf alle Patienten mit vergleichbaren Erkrankungen anwendbar sind. In neuesten Pro-jekten versuchen unter anderem auch wir, diese beiden Engpässe zu meistern: Dazu ist es notwendig, die Reprogrammierungsfaktoren zusammen mit einem korrigierten Gen nicht wie bisher zufällig, son-dern gezielt und reversibel direkt in das erkrankte Gen einzubringen. ZukunftsperspektivenMit der Entwicklung der somati-schen Zellreprogammierung ist die Medizin bei der Verwirklichung des Traums einer individualisier-Prof. Dr. Dr. Harald von Melchner, 62, leitet die Abteilung für Molekulare Hämatologie an der Goethe-Uni-versität. Seine wissenschaftlichen Schwerpunkte liegen in der Entwick-lung von Hochdurchsatzverfahren zur Auffindung und Charakterisie-rung von Krankheitsgenen und in der Entwicklung von Zell- und Tier-modellen für menschliche Erkran-kungen.Zur PersonHarald von MelchnerEin guter Arbeitstag beginnt mit einem Glas Milch.Die Zeit vergesse ich beim Musikhören.Wer es in einem Fachgebiet zu etwas bringen will, muss kämpfen.Erfolge feiere ich mit Partys.Ich rege mich über Unfairness auf. Als Jugendlicher wollte ich die Welt erobern.Rat suche ich bei meinen Freunden.Den Kindern rate ich: »Setzt euch durch!«melchner@em.uni-frankfurt.deten Zell- und Gentherapie einen wesentlichen Schritt vorangekom-men. Die Technologie hat zum ersten Mal einen Weg aufgezeigt, wie patientenspeziﬁsche Zellen in großer Zahl außerhalb des Körpers erzeugt werden können.Ein weiterer Schritt in diese Richtung ist die Entwicklung von Methoden zur Transdifferenzie-rung. Sie ermöglichen es, ohne den Umweg über iPS-Zellen einen Zelltyp direkt in einen anderen zu konvertieren. So kann beispielwei-se ein Fibroblast durch ein einziges Genprodukt in eine Muskelzelle verwandelt werden. Sollten sich in Zukunft Wege eröffnen, trans-differenzierte Zellen ähnlich wie iPS-Zellen in Gewebekultur zu ver-mehren, wäre die Transrepropro-grammierung der weitaus kürzere und mit weniger Komplikationen (wie der Entstehung von Tumoren) behaftete Weg zu einer erfolgrei-chen individualisierten Zell- und Gentherapie.Mit der somatischen Zellrepro-gammierung und deren vielfälti-gen Möglichkeiten hat eine neue Epoche für die bisher noch als »Science-Fiction« geltende regene-rative Medizin begonnen. Zu deren Erfolg trägt das LOEWE-Zentrum für Zell- und Gentherapie wesent-lich bei.   u

Die Zeit für die Zelle zurückdrehen : Reprogrammierung als Chance für die regenerative Medizin

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