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71. Genehmigung nach dem Stammzellgesetz

Erteilt am 03.05.2012

1. Genehmigungsinhaber(in)

Frau Professor Dr. Suzanne Kadereit (bis Oktober 2013 Universität Konstanz, seit November 2013 Hochschule Albstadt-Sigmaringen)

2. Zell-Linien

Die vorgesehenen Forschungsarbeiten erfolgen unter Verwendung der folgenden humanen embryonalen Stammzell-Linien:

  • H1 (Wicell Research Institute, Madison, WI, USA)
  • H9 (Wicell Research Institute, Madison, WI, USA)
  • HES-2 (ES Cell International Pte Ltd, Singapur)

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

3. Angaben zum Forschungsvorhaben

Gegenstand der genehmigten Forschungsarbeiten ist die Untersuchung des Einflusses verschiedener Typen ionisierender Strahlung auf humane embryonale Stammzellen (hES-Zellen) und deren frühe Differenzierung. Zunächst sollen undifferenzierte hES-Zellen ionisierender Strahlung unterschiedlicher Qualität (z.B. Röntgenstrahlung, dicht ionisierender Strahlung) ausgesetzt und deren Einfluss auf die Lebens- und Vermehrungsfähigkeit, die genetische Stabilität und die Zellzyklus-Progression sowie auf das Expressionsprofil  der Zellen bestimmt werden. Anschließend soll der Einfluss der Strahlung auf das frühe Differenzierungsvermögen von hES-Zellen untersucht werden. Hierzu soll u. a. der Anteil spezifischer Zelltypen in embryoid bodies (EBs) bestimmt werden, die aus bestrahlten bzw. unbestrahlten hES-Zellen differenziert wurden. Ferner ist geplant, die Zellen mit hochsensitiven Methoden hinsichtlich möglicher strahleninduzierter DNA-Schäden zu analysieren. Im folgenden sollen dann mögliche Konsequenzen einer Strahlenexposition für aus hES-Zellen differenzierte kardiale Zellen sowie neurale Vorläuferzellen untersucht 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 RKI hochrangigen Forschungszielen für den wissenschaftlichen Erkenntnisgewinn im Rahmen der Grundlagenforschung sowie der Erweiterung von Kenntnissen bei der Entwicklung diagnostischer, präventiver oder therapeutischer Verfahren zur Anwendung beim Menschen. Für diese Beurteilung sind folgende Gründe maßgeblich:

Ziel der beantragten Forschungsarbeiten unter Verwendung von hES-Zellen ist es, das Verständnis für die Effekte verschiedener Formen ionisierender Strahlen auf pluripotente Stammzellen und sich aus ihnen differenzierende Zellen zu gewinnen bzw. zu vertiefen.

Im Rahmen der genehmigten Forschungsarbeiten soll zunächst zur Klärung der Frage beigetragen werden, welche Wege zur Reparatur strahleninduzierter DNA-Schäden von hES-Zellen vorrangig genutzt werden. In diesem Zusammenhang sollen Erkenntnisse darüber gewonnen werden, welche DNA-Schäden durch verschiedene Arten ionisierender Strahlung (dünn bzw. dicht ionisierende Strahlung) in hES-Zellen verursacht und welche DNA-Reparatursysteme zur Behebung der jeweiligen DNA-Schäden genutzt werden. Da hES-Zellen einen von somatischen Zellen deutlich unterschiedenen Zellzyklus aufweisen, ist zudem davon auszugehen, dass sich die Sensitivität von hES-Zellen gegenüber bestimmten Strahlentypen von jener somatischer Zellen unterscheidet. Daher soll analysiert werden, welche Folgen die Strahlenexposition auf die Zellzyklusprogression von hES-Zellen hat, in welcher Phase des Zellzyklus die Zellen ggf. für welche Dauer arretiert werden und welche molekularen Grundlagen ein entsprechender Zellzyklus-Arrest haben könnte.

Ferner soll die Frage untersucht werden, in welchem Maße Zellen, die nach einem möglichen temporären Zellzyklus-Arrest wieder in den Zellzyklus eintreten, genetische Veränderungen erworben haben. Dabei können Erkenntnisse darüber gewonnen werden, wie zuverlässig die jeweiligen DNA-Reparatursysteme in hES-Zellen die durch Strahlung verursachten Schäden reparieren, ob und in welchem Maße Reparaturfehler auftreten und welche Konsequenzen eine ggf. fehlerhafte DNA-Reparatur auf die Eigenschaften von hES-Zellen und aus ihnen differenzierten Zellen haben. Ferner soll analysiert werden, gegenüber welchen Arten ionisierender Strahlung hES-Zellen besonders empfindlich sind, also welche Typen von Strahlung irreparable DNA-Schäden verursachen und in der Konsequenz zu einem programmiertem Zelltod führen können. Hier kann zur Klärung der Frage beigetragen werden, auf welchem Wege und unter Vermittlung welcher Moleküle und Signalwege ein durch Strahlung induzierter programmierter Zelltod in hES-Zellen erfolgt.

Eine weitere Forschungsfrage, die im beantragten Projekt geklärt werden soll, bezieht sich auf den Einfluss ionisierender Strahlung auf sich differenzierende hES-Zellen. Durch die Differenzierung von hES-Zellen können bestimmte frühe zelluläre Prozesse nachgebildet werden, die bei der frühen Differenzierung beim Menschen ablaufen. Dies soll hier zur Klärung der Frage genutzt werden, ob und in welchem Maße verschiedene Typen von ionisierender Strahlung frühe Differenzierungsprozesse beeinflussen, die während der menschlichen Embryonalentwicklung ablaufen. Daraus können sich ggf. Erkenntnisse ergeben, die künftig zur  Abschätzung des Strahlenrisikos während der frühen Embryonalentwicklung des Menschen genutzt werden könnten. Bisherige Abschätzungen von Strahlenrisiken während der frühen Schwangerschaft beruhen im wesentlichen auf Ergebnissen entsprechender tierexperimenteller Studien, die auf den Menschen extrapoliert wurden. Im Projekt gewonnene Erkenntnisse könnten ggf. Unterschiede in den Konsequenzen einer spezifischen Strahlenexposition für pluripotente bzw. sich differenzierende menschliche und tierische Stammzellen aufzeigen. Dies könnte dann für die Einschätzung von Strahlenrisiken für den sich entwickelnden Embryo bedeutsam sein, die beispielsweise infolge berufsbedingter Strahlenexposition der Mütter oder im Zusammenhang mit medizinischen Untersuchungen auftreten.

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 in allen wesentlichen Punkten ausreichend vorgeklärt und die Nutzung humaner ES-Zellen gerechtfertigt ist.

Die Effekte (dicht und dünn) ionisierender Strahlung auf menschliche und tierische Zellen sind gut untersucht. So wurde beispielsweise die Induktion chromosomaler Schädigungen durch verschiedene Arten von Strahlung in hämatopoetische Stammzellen des Menschen detailliert analysiert. Entsprechende Studien liegen, wenn auch nicht in vergleichbarer Detailtiefe, auch für pluripotente Stammzellen der Maus und des Menschen vor. Zudem belegen zahlreiche In-vivo-Studien, insbesondere mit Nagern, eine besonders hohe Strahlenempfindlichkeit der Zellen des  Präimplantationsembryos.

In den letzten Jahren wurden ferner mehrere Studien zur Reparatur strahleninduzierter DNA-Schäden in murinen und humanen embryonalen Stammzellen und zu den zugrundeliegenden Mechanismen durchgeführt und publiziert, wobei auch die Frage nach den in mES- und hES-Zellen vorherrschenden DNA-Reparaturmechanismen untersucht wurde. Diese Studien zeigten, dass speziesspezifische Unterschiede in den DNA-Reparaturmechanismen existierten und dass pluripotente und differenzierte Zellen spezifische DNA-Reparatursysteme in unterschiedlichem Maße nutzen. Die Arbeiten zeigen ferner, dass hES-Zellen strahleninduzierte DNA-Doppelstrangbrüche überwiegend durch homologe Rekombination reparieren, während in Differenzierung befindliche Zellen eine DNA-Reparatur nutzen, die auf einer nicht-homologen Verknüpfung freier DNA-Enden beruht. Diese Ergebnisse sollen im hier beantragten Forschungsvorhaben vertieft und erweitert werden, insbesondere mit Blick auf den Einfluss der Strahlenqualität und die Fehlerrate der DNA-Reparatur. Untersuchungen zu Veränderungen im Genexpressionsprofil und im Zellzyklus infolge von Bestrahlung wurden ebenfalls für verschiedene Typen muriner und humaner Stammzellen durchgeführt und publiziert.

Im Antragsverfahren wurde ferner dargelegt, dass sich der mit dem Forschungsvorhaben angestrebte Erkenntnisgewinn voraussichtlich nur unter Verwendung von hES-Zellen erreichen lässt.

Gegenstand der beantragten Arbeiten ist die Untersuchung der Effekte verschiedener Arten ionisierender Strahlung auf frühe embryonale Zellen des Menschen mit dem langfristigen Ziel, in der Folge eine präzisere Abschätzung des Strahlenrisikos auf den sich entwickelnden menschlichen Embryo als bislang vornehmen zu können.

Die Notwendigkeit der Nutzung embryonaler Stammzellen ergibt sich aus der Tatsache, dass im Projekt die Wirkung von Strahlung auf Zellen untersucht werden soll, die sich entweder im Stadium der Pluripotenz befinden oder die frühe Differenzierungsprozesse durchlaufen. Pluripotente Stammzellen sind nach derzeitigem Kenntnisstand das am besten geeignete Modell, um in vitro die Effekte von Strahlung auf den sich entwickelnden frühen Embryo abschätzen zu können. Diese Untersuchungen können weder unter Nutzung somatischer Zellen noch somatischer Stammzellen erfolgen, da diese Zelltypen die hier interessierenden Phasen der (Embryonal)Entwicklung des Menschen bereits durchlaufen haben.

Die Notwendigkeit zur Nutzung humaner embryonaler Stammzellen ergibt sich aus den Spezies-Unterschieden, die insbesondere zwischen pluripotenten Stammzellen der Maus und des Menschen bestehen. Abgesehen davon, dass bereits die Moleküle und Signalwege, die der Aufrechterhaltung von Pluripotenz in beiden Spezies dienen, unterschiedlich sind, bestehen offenbar auch Unterschiede in der Art und Weise, wie beide Zelltypen DNA-Schäden reparieren. Diese Unterschiede sind teils durch unterschiedliche Expression der Gene für wesentliche Komponenten der entsprechenden DNA-Reparatursysteme bedingt.

Die Forschungsziele sind ferner auch nicht durch Verwendung von humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPS-Zellen) zu erreichen. hiPS-Zellen weisen zwar wesentliche Eigenschaften pluripotenter Zellen auf, jedoch unterscheiden sie sich von hES-Zellen z.B. im Hinblick auf die genetische Stabilität und hier insbesondere hinsichtlich der Häufigkeit und Art von chromosomalen Veränderungen. Die Ursachen und die Bedeutung dieser Unterschiede sind noch nicht verstanden. Die Äquivalenz von hiPS-Zellen und hES-Zellen in Bezug auf die Möglichkeit zur Modellierung früher embryonaler Entwicklungsprozesse ist ebensowenig untersucht worden wie die Eignung von hiPS-Zellen als In-vitro-Modellsystem für die Bewertung von embryotoxischen (Strahlen)Effekten. Insofern ist nach gegenwärtigem Kenntnisstand die Nutzung von hES-Zellen für die Erreichung des im Vorhaben angestrebten Erkenntnisgewinns erforderlich.

Stand: 13.10.2014

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