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Zielgruppeneinstiege

9. Genehmigung nach dem Stammzellgesetz

Erteilt am 14.02.2005. Genehmigung erweitert am 06.12.2007 (siehe 6.). Registereintrag zuletzt aktualisiert am 08.11.2011.

1. Genehmigungsinhaber(in)

Dr. James Adjaye (seit Januar 2014 Universitätsklinikum Düsseldorf, Institut für Stammzellforschung und Regenerative Medizin (ISRM), bis Dezember 2013 Max-Planck-Institut für molekulare Genetik, Berlin)

2. Zell-Linien

Die vorgesehenen Forschungsarbeiten basieren auf humanen embryonalen Stammzellen (hES-Zellen) der folgenden Linien:

  • H1 (Wicell Research Institute, Madison, WI, USA)
  • H9 (Wicell Research Institute, Madison, WI, USA)

Die Genehmigung gilt jeweils auch für die Einfuhr und Verwendung von Sub-Linien (z.B. von klonalen Sub-Linien oder genetisch modifizierten Derivaten) der genannten humanen embryonalen Stammzell-Linie(n).

3. Angaben zum Forschungsvorhaben

Für Forschungsarbeiten unter dem Titel „Funktionelle Charakterisierung von Pluripotenz-Kontrollgenen und ihre Rolle bei der Ausprägung grundlegender Transkriptionsnetzwerke sowie von Mechanismen der Signalübertragung in Stammzellen“ wurde die Einfuhr und Verwendung der oben genannten humanen embryonalen Stammzell-Linien genehmigt.

Das Ziel des Forschungsvorhabens besteht in der Identifizierung von Genen, deren Expression für die Aufrechterhaltung der Pluripotenz humaner embryonaler Stammzellen (hES-Zellen) notwendig ist. Die experimentell gewonnenen Daten sollen genutzt werden, um Pluripotenz-assoziierte Signalwege zu bestimmen und genregulatorische Netzwerke unter Nutzung bioinformatischer Methoden zu modellieren. Das genehmigte Forschungsvorhaben ist in drei Teilprojekte gegliedert.

Im ersten Teilprojekt sollen in hES-Zellen mittels der RNAi-Technologie Gene selektiv gehemmt werden, von denen vermutet wird, dass ihre Produkte für die Aufrechterhaltung der Pluripotenz der hES-Zellen essentiell sind. Aus der Beobachtung von phänotypischen Veränderungen der mit RNAi manipulierten hES-Zellen im undifferenzierten Zustand und während der Differenzierung lassen sich Rückschlüsse auf die Funktionen des ausgewählten Gens bei der Aufrechterhaltung von Pluripotenz bzw. bei der Induktion von Differenzierung ziehen. Nur solche Gene, deren Aktivitätshemmung zu einer phänotypischen Veränderung führt, sollen weiter untersucht werden.

Im zweiten Teilprojekt soll untersucht werden, welchen Einfluss die im ersten Teilprojekt vorgenommene Expressionshemmung auf das globale Genexpressionsmuster von hES-Zellen hat. Veränderungen der globalen Expressionsmuster von hES-Zellen infolge der durch RNAi vermittelten Hemmung einzelner Kandidatengene sollen auf RNA-Ebene als auch auf Proteinebene bestimmt werden.

In einem dritten Teilprojekt soll für den Fall, dass es sich bei den Produkten der identifizierten Gene um Transkriptionsfaktoren handelt, mittels Chromatin-Immun-Präzipitation (ChIP) analysiert werden, welches die Zielsequenzen dieser Transkriptionsfaktoren sind. Mit dieser Methode können möglicherweise weitere Gene identifiziert werden, deren Produkte für die initial beobachteten phänotypischen Effekte und somit für die Aufrechterhaltung der Pluripotenz von hES-Zellen wesentlich sind.

Mit den gewonnenen Ergebnissen sollen dann Modelle für regulatorische Netzwerke (beispielsweise Signalübertragungswege) aufgestellt werden, deren funktionale Integrität für die Fähigkeit von hES-Zellen zur Selbsterneuerung essentiell ist. Die Effekte der Überexpression (bzw. Hemmung der Aktivität) von Genen, deren Produkte an solchen Signalwegen beteiligt sind, soll untersucht werden.

Bei dem Forschungsvorhaben wird mit einer voraussichtlichen Dauer von 5 Jahren gerechnet

4. Hochrangigkeit der Forschungsziele

Entsprechend den im Antragsverfahren erbrachten wissenschaftlich begründeten Darlegungen dienen die genehmigten Forschungsarbeiten an hES-Zellen nach übereinstimmender Auffassung der Zentralen Ethik-Kommission für Stammzellenforschung (ZES) und des RKI hochrangigen Forschungszielen für den wissenschaftlichen Erkenntnisgewinn im Rahmen der Grundlagenforschung.

Für diese Beurteilung sind folgende Gründe maßgeblich:

Das vorrangige Ziel der beantragten Forschungsarbeiten besteht darin, mit Pluripotenz assoziierte Gene und deren Produkte in hES-Zellen zu identifizieren, zu charakterisieren und ihre Rolle in grundlegenden Transkriptionsnetzwerken, die für die Aufrechterhaltung von Pluripotenz von hES-Zellen verantwortlich sind, zu bestimmen.

Die Identifizierung und Charakterisierung von Pluripotenz-assoziierten Genen ist für das Verständnis der Balance zwischen der Erhaltung des Stammzellpotentials und der Einleitung von Differenzierung von hES-Zellen essentiell. Das Projekt geht über bisherige Arbeiten hinaus, indem die Effekte der Hemmung einer begrenzten Anzahl von Genen, die nach gegenwärtigem Kenntnisstand in allen Präimplantationsstadien und in hES-Zellen exprimiert werden, systematisch in hES-Zellen untersucht wird. Die Ergebnisse sollen dazu beitragen, Schlussfolgerungen auf die grundlegende Biologie von hES-Zellen zu ziehen und die Modellierung von für hES-Zellen typischen regulatorischen Expressionsnetzwerken, Transkriptionsnetzwerken und Signalübertragungswegen zu ermöglichen. Die Einbeziehung von Genen, die während der Präimplantationsphase des menschlichen Embryos aktiv sind, soll Erkenntnisse darüber erbringen, in welchem Maße etablierte hES-Zelllinien die Situation im frühen menschlichen Embryo widerspiegeln und inwieweit sie als Modellsystem für die Untersuchung der frühen Embryonalentwicklung des Menschen geeignet sind.

Die geplanten Untersuchungen des Proteinmusters von hES-Zellen unter den Bedingungen der selektiven Hemmung der Aktivität bestimmter Gene lassen Rückschlüsse auf die Signifikanz der auf Transkriptionsebene erhaltenen Ergebnisse zu. Dies könnte die Einsicht in die Mechanismen der Regulation von Pluripotenz auf einer bisher wenig untersuchten molekularen Ebene erweitern.

Die genehmigten Forschungsarbeiten lassen letztlich Erkenntnisse darüber erwarten, auf welche Weise die komplexen Prozesse von Selbsterneuerung und Differenzierung in hES-Zellen von außen beeinflusst und gesteuert werden könnten, beispielsweise durch genetische und epigenetische Veränderung dieser Zellen oder durch exogene Faktoren wie  zum Beispiel Medienbestandteile. Die erwarteten Ergebnisse können auch zur Entwicklung verbesserter Kultivierungsmethoden für hES-Zellen beitragen.

5. Notwendige Vorarbeiten und Erforderlichkeit der Verwendung von humanen embryonalen Stammzellen für die mit dem Vorhaben verfolgten Fragestellungen

Untersuchungen zur Regulation von Pluripotenz von ES-Zellen sind im Mausmodell in großem Umfang durchgeführt worden. Ähnliche wie die geplanten Untersuchungen wurden bereits auch an Material aus hES-Zellen vorgenommen. Die Eignung der geplanten Vorgehensweise wurde im Mausmodell bereits durch mehrere Studien bestätigt. Von den im Projekt zu untersuchenden Genen ist bekannt, dass sie sowohl in Präimplantations-Embryonen als auch in hES-Zellen aktiv und daher für die geplanten Untersuchungen geeignet sind.

Die Notwendigkeit der Verwendung humaner Zellen ergibt sich aus der Tatsache, dass die molekularen Mechanismen, die für die Aufrechterhaltung von Pluripotenz verantwortlich sind, sich nach gegenwärtigem Kenntnisstand im murinen und humanen System deutlich unterscheiden. Erkenntnisse aus Studien an Stammzellen von anderen Spezies sind daher nicht oder nur in begrenztem Maße auf hES-Zellen übertragbar.

Das Projektziel erfordert die Verwendung humaner embryonaler Stammzellen, da Faktoren und Signalwege identifiziert werden sollen, die für die Aufrechterhaltung der Pluripotenz dieser Zellen notwendig sind. Fötale und adulte Stammzellen des Menschen sind nach dem gegenwärtigen Kenntnisstand nicht pluripotent. Sie sind nicht mehr Teil des ursprünglichen embryonalen Stammzellkompartiments, sondern bereits weiter differenziert als hES-Zellen und besitzen ein eingeschränktes Entwicklungspotential, das nicht die Situation in hES-Zellen widerspiegelt.

6. Genehmigte Erweiterungen des Forschungsvorhabens

Genehmigungserweiterung vom 06.12.2007

Die Genehmigungserweiterung bezieht sich auf die Durchführung folgender zusätzlicher Forschungsarbeiten:

Angaben zu den Forschungsarbeiten

Im Rahmen der genehmigten Forschungsarbeiten sollen die Untersuchungen zu Mechanismen der Aufrechterhaltung von Pluripotenz in hES-Zellen nun auf die Analyse epigenetischer Grundlagen von Pluripotenz, insbesondere auf der Ebene von DNA-Methylierungen, ausgedehnt werden. Im Mittelpunkt des Interesses stehen dabei Veränderungen im Methylierungsmuster der zellulären DNA während der frühen Differenzierung von hES-Zellen. Durch Nutzung entsprechender Micro-Arrays sollen Unterschiede in der DNA-Methylierung des Genoms zwischen undifferenzierten hES-Zellen und Zellen der Derivate aller Keimblätter nach Differenzierungsinduktion bestimmt werden.

Ferner soll geklärt werden, welche Unterschiede im Expressionsmuster und im Epigenom von hES-Zellen infolge ihrer Kultivierung in chemisch definierten im Vergleich zu herkömmlichen Medien bewirkt werden, wobei insbesondere mögliche epigenetische Veränderungen infolge der  Langzeitkultivierung von hES-Zellen untersucht werden sollen.

Hochrangigkeit der Forschungsziele

Entsprechend der im Antragsverfahren erbrachten wissenschaftlich begründeten Darlegung dienen die zusätzlich genehmigten Forschungsarbeiten an hES-Zellen nach übereinstimmender Auffassung der Zentralen Ethik-Kommission für Stammzellenforschung (ZES) und des Robert Koch-Institutes (RKI) hochrangigen Forschungszielen für den wissenschaftlichen Erkenntnisgewinn im Rahmen der Grundlagenforschung.

Die genehmigten Arbeiten dienen der Klärung der sich an bisherige Arbeiten des Genehmigungsinhabers anschließenden Fragestellung, welche Veränderungen im Epigenom von sich selbst erneuernden und sich differenzierenden hES-Zellen für die beobachteten Unterschiede in den Genexpressionsmustern zwischen diesen Zellen verantwortlich sind und umgekehrt. Durch diese Untersuchungen könnten einerseits weitere Gene identifiziert werden, deren differentielle Expression ursächlich für die Selbsterneuerung bzw. für die Auslösung von Differenzierung in die Derivate eines bestimmten Keimblattes ist. Zudem kann Aufschluss darüber gewonnen werden, welche Veränderungen des Epigenoms die Induktion früher Differenzierungsereignisse bewirken. Im Ergebnis können diese Untersuchungen einen Beitrag zur Klärung der Frage leisten, welche spezifischen Veränderungen im Epigenom mit der Auslösung der Differenzierung von hES-Zellen in die Derivate eines bestimmten Keimblattes einhergehen. Dies kann wiederum einen Beitrag zum Verständnis molekularer Prozesse während der frühen Embryonalentwicklung des Menschen leisten.

Die Untersuchung der molekularen Ursachen für das unterschiedliche Wachstums- und Differenzierungsverhalten von hES-Zellen in chemisch definiertem Medium und konditioniertem Medium dient ebenfalls der Identifizierung von Faktoren und Signalwegen, die zur Aufrechterhaltung der Pluripotenz von hES-Zellen beitragen. Die beabsichtigte Untersuchung der Frage, welche Veränderungen im Epigenom – und hier speziell im Methylierungsmuster der zellulären DNA – infolge von Langzeitkultivierung auftreten, lässt Erkenntnisse darüber erwarten, wie bestimmte Medienbestandteile durch Effekte auf molekularer Ebene die Eigenschaften von hES-Zellen während der Langzeitkultivierung beeinflussen und verändern. Die Erkenntnisse können im Ergebnis zu verbesserten Protokollen für die Kultivierung von hES-Zellen und damit zu verbesserten und reproduzierbaren hES-Zell-Kulturen führen.

Notwendige Vorarbeiten und Erforderlichkeit der Verwendung von humanen embryonalen Stammzellen für die mit dem Vorhaben verfolgten Fragestellungen

Im Antragsverfahren wurde dargelegt, dass epigenetische Veränderungen eine maßgebliche Rolle sowohl in der frühen Embryonalentwicklung als auch in der malignen Entartung von Zellen spielen. Dies ist aus der Literatur hinlänglich bekannt, ebenso wie das Auftreten epigenetischer Veränderungen von hES-Zellen während ihrer Langzeitkultivierung. Arbeiten zur Untersuchung von epigenetischen Veränderungen muriner ES-Zellen während ihrer Differenzierung wurden ebenfalls in der Literatur beschrieben und im Antragsverfahren dargelegt. Es wurde ferner dargelegt, dass die Kulturbedingungen für hES-Zellen hochspezifisch sind und sich deutlich von denen für murine ES-Zellen unterscheiden. Insofern ist aus Untersuchungen an murinen ES-Zellen, die in chemisch definierten Medien kultiviert worden sind, keine relevante Aussage über die Eigenschaften von humanen ES-Zellen zu erwarten, die unter identischen Bedingungen kultiviert werden.

Für die Notwendigkeit der Verwendung humaner ES-Zellen gelten auch weiterhin die in 5. dargelegten Gründe. Die für einen Teil der nun genehmigten Forschungsarbeiten als Alternative zu hES-Zellen vorstellbaren embryonalen Karzinomzellen (EC-Zellen) des Menschen haben, je nach Zell-Linie, unterschiedliche Differenzierungspotentiale und lassen sich nicht gleichermaßen in alle Keimblatt-Derivate des Menschen differenzieren. Zudem hat der Genehmigungsinhaber selbst in vergleichenden Studien festgestellt, dass die Signalwege, die an der Aufrechterhaltung der Pluripotenz von humanen ES- und EC-Zellen beteiligt sind, teils verschieden sind. Humane embryonale Keimzellen (EG-Zellen) haben, im Unterschied zu murinen EG-Zellen, nur ein sehr begrenztes Differenzierungspotential. Beide Zelltypen verlangen zudem andere Kulturbedingungen als hES-Zellen und haben eine andere epigenetische Konstitution. Ihre Verwendung zur Klärung der im Projekt verfolgten Fragestellungen ist folglich nicht möglich.

Im Zuge der Bewertung der Forschungsarbeiten wurde festgestellt, dass die im November 2007 beschriebene Gewinnung von induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS-Zellen) des Menschen der Nutzung von hES-Zellen im beantragten Projekt nicht entgegensteht. Bei iPS-Zellen handelt es sich um Zellen, deren Eigenschaften und deren Identität mit hES-Zellen gegenwärtig noch weitgehend ungeklärt sind.

Stand: 15.01.2014

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