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33. Genehmigung nach dem Stammzellgesetz

Erteilt am 19.06.2008. Genehmigung erweitert am 14.10.2008 (siehe 2.). Registereintrag zuletzt aktualisiert am 14.10.2008. Forschungsvorhaben beendet. Genehmigung erloschen am 30.04.2017.

1. Genehmigungsinhaber(in)

Herr Professor Dr. Harald v. Melchner, Klinikum der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main

2. Zell-Linien

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

  • SA001 (Cellartis AB, Göteborg, Schweden)
  • SA002 (Cellartis AB, Göteborg, Schweden)

Im Rahmen der Erweiterung der Genehmigung vom 14.10.2008 wurden zur Durchführung der unten benannten Forschungsarbeiten die Einfuhr und Verwendung humaner embryonaler Stammzellen folgender weiterer Linien genehmigt.

  • H7 (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

Ausgehend von den oben genannten hES-Zell-Linien des NIH-Registers soll eine Bibliothek von mutierten hES-Zell-Linien etabliert werden, wobei in jeder der Zell-Linien ein menschliches Gen mutiert ist. Dazu sollen sogenannten Genfallen-Vektoren genutzt werden, die auf viralen Vektoren beruhen, sich im Genom menschlicher Zellen in den 5’-Bereich exprimierter Gene integrieren und dadurch eine Funktionsverlust-Mutation verursachen. Nach Selektion, Vermehrung und Charakterisierung entsprechend mutierter Zell-Linien soll dann durch weitere Selektion eine Konversion zur Homozygozie bezüglich des mutierten Gens erreicht werden. Aufgrund der Beschaffenheit der Genfallen-Vektoren soll anschließend durch geeignete Manipulationsmaßnahmen erreicht werden, dass die Expression des betroffenen zellulären, gegebenenfalls verkürzten, aber noch funktionsfähigen Gens wieder aktiviert wird, wobei es möglich sein soll, die Expressionsstärke zu regulieren. Dadurch liegt dann zusätzlich zur Funktionsverlust-Mutante eine regulierbare Funktionsaktivierungs-Mutante vor. Die genetisch veränderten Zell-Linien sollen klonal vermehrt und der Integrationsort im Genom sowie das betroffene Gen für die jeweilige Linie ermittelt werden.

4. Hochrangigkeit der Forschungsziele

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

Ausgangspunkt für das Projekt ist die Tatsache, dass ähnliche wie die hier für hES-Zellen geplanten Strategien in der Vergangenheit für die erfolgreiche Etablierung von Bibliotheken konditionell mutierter muriner embryonaler Stammzellen (mES-Zellen) verwendet wurden. Mittels dieser Zellen können in vitro (oder nach Herstellung entsprechender Knockout-Mäuse) in vivo unter anderem pathophysiologische Vorgänge untersucht und so zelluläre Mechanismen der Krankheitsentstehung im Tiermodell aufgeklärt werden.

Im genehmigten Vorhaben soll nun überprüft werden, ob sich ein ähnliches Konzept wie jenes, das zur Etablierung der mutierten mES-Zell-Bibliothek verwendet wurde, auch auf hES-Zellen übertragen lässt und entsprechende, auf hES-Zellen beruhende Zellbibliotheken etabliert werden können. Dazu sollen 2.000 bis 3.000 mutierte humane Zell-Klone hergestellt werden, die von den zum Import und zur Verwendung beantragten hES-Zell-Linien abgeleitet werden. Jeder dieser mutierten hES-Zell-Klone (im folgenden als modifizierte hES-Zellen, mod-hES, bezeichnet) soll jeweils eine einzige definierte, induzierbare Mutation in einem exprimierten menschlichen Gen enthalten.

Die genehmigten Arbeiten zielen auf die Bereitstellung der beschriebenen Stammzell-Bibliothek; diese kann dann zur Klärung wesentlicher Fragestellungen der Grundlagenforschung genutzt werden. mod-hES aus einer solchen Bibliothek könnten – analog zu den Zell-Linien der murinen ES-Zell-Bibliotheken – in später zu genehmigenden Projekten zur Untersuchung zellulärer Prozesse von Signalübertragung, Differenzierung oder Krankheitsentstehung verwendet werden. Sie könnten beispielsweise auch genutzt werden, um durch vergleichende Genexpressions- und Proteomanalysen mit entsprechend mutierten murinen ES-Zellen Spezies-abhängige Prozesse der Gewebe- oder Organbildung zu untersuchen. Dies alles kann voraussichtlich zu einem erheblichen Erkenntnisgewinn für die Grundlagenforschung beitragen.

Durch die im Projekt zu entwickelnde Technologie wird es gegebenenfalls zudem möglich sein, eine Vielzahl unterschiedlich mutierter hES-Zell-Linien bereitzustellen. Dies ist von großer Relevanz, da es technisch nach wie vor äußerst anspruchsvoll ist, gezielt genetische Modifikationen an hES-Zellen vorzunehmen. So sind bislang in der Literatur nur singulär Fälle beschrieben worden, in denen es mittels des in mES-Zellen regelmäßig angewandten Verfahrens der homologen Rekombination gelungen ist, genetische Veränderungen auch in hES-Zellen zu bewirken. Bei erfolgreicher Durchführung des Projektes könnten hES-Zellen zur Verfügung stehen, in denen durch Mutation beider Allele eines Gens ein vollständiger Knockout der Expression autosomaler Gene erreicht werden kann, der zur Untersuchung zellulärer und molekularer Prozesse für die Mehrzahl aller Säugergene erforderlich ist.

Im Vorhaben sollen ferner zwei Fragestellungen untersucht werden, die wesentlich für die Aussagekraft von künftigen Experimenten mit den zu etablierenden mod-hES sind. Zum einen erfordert die Ausprägung eines mutierten Phänotyps vielfach das Vorliegen von Homozygotie bezüglich der entsprechenden Mutation, was bei der Maus durch Kreuzung zweier heterozygoter Individuen und Auswahl der homozygoten Nachkommenschaft für die Anlage entsprechender Stammzell-Linien erreicht werden kann. Im genehmigten Vorhaben soll die funktionelle Ausschaltung beider Allele eines Gens in menschlichen Zellen durch induzierbare Expression eines zweiten Markergens und Selektion für dieses Gen erreicht werden. Zum anderen wurde dargelegt, dass pathogene Veränderungen häufig durch eine verminderte (oder verstärkte) Expression eines Gens („Gendosiseffekt“) und nicht durch den vollständigen Verlust von dessen Expression verursacht werden. Durch die angestrebte Regulierbarkeit der Expression des Gens, in das der Genfallen-Vektor eingebaut wurde, sollen solche Gendosiseffekte simuliert werden können. Dies kann in der Folge von großem Nutzen für die Untersuchung des Einflusses von Expressionsraten einzelner Gene für Entwicklungsprozesse oder pathologische Vorgänge sein.

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

Im Antragsverfahren wurde dargelegt, dass das Projekt ist in allen wesentlichen Punkten ausreichend vorgeklärt und der Übergang zur Nutzung humaner ES-Zellen folglich gerechtfertigt ist.

Die prinzipielle Funktionsweise des geplanten experimentellen Ansatzes wurde durch langjährige Arbeiten zur Etablierung und Charakterisierung von Bibliotheken konditionell mutierter muriner embryonaler Stammzellen gezeigt, an deren Durchführung und Publikation der Genehmigungsinhaber maßgeblich beteiligt war. Im Antragsverfahren wurde darüber hinaus dargelegt, dass die Eigenschaften von wesentlichen Komponenten des für die Mutagenese von hES-Zellen zum Einsatz kommenden Genfallen-Vektors bereits in murinen Zellen vorgeklärt worden sind, wodurch die prinzipielle Funktionsfähigkeit des Genfallen-Vektors als ausreichend vorgeklärt angesehen wird. Publizierte Studien zum Transfer genetischen Materials in hES-Zellen unter Verwendung von retroviralen und lentiviralen Vektoren, wie sie im Projekt zum Einsatz kommen sollen, liegen ebenso vor wie publizierte Protokolle für die notwendige klonale Expansion und Selektion von hES-Zellen sowie für deren geplante feeder-Zell-freie Kultivierung. Diese Protokolle sollen im Verlauf des Projektes zudem weiterentwickelt und optimiert werden.

Untersuchungen an mutierten Zellen aus mES-Zell-Bibliotheken sowie an Knockout-Mäusen können zwar Hinweise auf mögliche Funktionen auch von humanen Genen geben, jedoch können angesichts der Spezies-spezifischen Unterschiede die in Mausmodellen gewonnenen Erkenntnisse, gerade in Bezug auf Differenzierung und Pathogenese, nur bedingt auf den Menschen übertragen werden. Die interessierenden wissenschaftlichen Fragestellungen müssen folglich an humanen Zellen überprüft werden. Ziel des Projektes ist daher die Etablierung einer Stammzell-Bibliothek, in deren Zell-Linien je ein spezifisches menschliches Gen ausgeknockt ist. Diese Zell-Linien sollen in anschließenden Forschungsprojekten – auch im Vergleich mit Zellen der Maus - dazu genutzt werden, spezifische Fragestellungen der Differenzierung menschlicher Zellen sowie der Pathogenese menschlicher Erkrankungen zu untersuchen. Voraussetzung dafür ist die Schaffung einer auf menschlichen Zellen basierenden Zell-Bibliothek.

Ziel des Projektes ist es, möglichst viele unterschiedliche mod-hES mit jeweils einer Veränderung im menschlichen Genom zur Verfügung zu haben. In nachfolgenden Untersuchungen soll dann beispielsweise untersucht werden können, ob ein bestimmtes Gen, das in einer der vorliegenden mod-hES mutiert ist, eine Rolle in bestimmten Differenzierungsprozessen oder bei Erkrankungen bestimmter Organe spielt. Dazu müssten die entsprechenden Zellen im Rahmen etwaiger späterer Projekte in den jeweils interessierenden Zelltyp differenziert werden. Dies erfordert jedoch ein breites Differenzierungspotential der Zellen der Stammzell-Bibliothek, wie es derzeit nur für embryonale Stammzellen, nicht aber für andere Stammzelltypen wie adulte Stammzellen bekannt ist. Die Anschlussnutzung für oben genannte Zielstellungen in der Forschung erfordert daher, dass die Etablierung der Zell-Bibliothek unter Nutzung humaner embryonaler Stammzellen erfolgt.

Es ist zudem derzeit nicht belegt, dass induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen) des Menschen zur Erreichung der Forschungsziele des Projektes geeignet sind. Nach dem derzeitigen Stand ihrer Charakterisierung ist es noch nicht geklärt, inwieweit iPS-Zellen und humane ES-Zellen tatsächlich identische Eigenschaften besitzen. Auf der Ebene des Transkriptoms hat ein Teil der bislang etablierten iPS-Zellen teils deutliche Unterschiede zu hES-Zellen gezeigt. Zudem ist das Differenzierungsvermögen von iPS-Zellen derzeit nur wenig untersucht, dies gilt auch für Möglichkeiten zu ihrer genetischen Veränderung nach Etablierung des pluripotenten Zustandes. Folglich bleibt auch im Hinblick auf den derzeitigen Kenntnisstand über iPS-Zellen die Verwendung von hES-Zellen zur Erreichung der Projektziele erforderlich.

Stand: 30.04.2017

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