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Zielgruppeneinstiege

87. Genehmigung nach dem Stammzellgesetz

Erteilt am 28.11.2013. Forschungsvorhaben beendet. Genehmigung erloschen am 31.12.2015.

1. Genehmigungsinhaberin

Frau Dr. Sophie Pautot, CRTD, Technische Universität Dresden

2. Zell-Linie

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

  • 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-Linien.

3. Angaben zum Forschungsvorhaben

Die Forschungsarbeiten unter Verwendung von hES-Zellen zielen auf die Herstellung von dreidimensionalen Netzwerken humaner neuraler Zellen, an denen Prozesse der neuralen Zellreifung und insbesondere dafür notwendige Wechselwirkungen zwischen diesen Zellen untersucht werden können. Im Rahmen des Forschungsvorhabens sollen hES-Zellen zunächst nach Standardmethoden in neurale Vorläuferzellen differenziert und anschließend auf kolloidale Trägermaterialien (silica beads) aufgebracht werden, wo sie sich – unter Bildung verschiedener neuraler Zelltypen – zu dreidimensionalen Netzwerken weiterentwickeln sollen. Die fortschreitende Differenzierung der Zellen in der 3D-Kultur sowie die Herstellung von Zell-Zell-Kontakten soll durch Nutzung von spezifischen hES-Reporterzellen sichtbar gemacht werden. Ferner soll die instruierende bzw. spezifizierende Wirkung von Medien, die durch sich differenzierende Rattenzellen konditioniert werden sollen, auf sich neural differenzierende hES-Zellen untersucht werden. Die Eigenschaften der Zellen des entstandenen neuronalen Netzwerkes, beispielsweise ihre elektrophysiologische Aktivität, sollen zu verschiedenen Zeitpunkten der Netzwerkbildung bestimmt werden. Die Arbeiten sollen in einer späteren Phase des Projektes auch vergleichend zwischen hES-Zellen und humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPS-Zellen) durchgeführt werden. Dabei sollen aus hES-Zellen gewonnene neurale Netzwerke sowohl mit aus wt-hiPS-Zellen abgeleiteten neuronalen Netzwerken als auch mit neuronalen Netzwerken verglichen werden, die aus hiPS-Zellen von Patienten mit neurodegenerativen Erkrankungen gewonnen wurden.

4. Hochrangigkeit der Forschungsziele

Entsprechend der im Antragsverfahren erbrachten wissenschaftlich begründeten Darlegung dienen die genehmigten Forschungsarbeiten unter Verwendung von hES-Zellen nach übereinstimmender Auffassung der Zentralen Ethik-Kommission für Stammzellenforschung und des RKI hochrangigen Forschungszielen für den wissenschaftlichen Erkenntnisgewinn im Rahmen der Grundlagenforschung und können darüber hinaus zur Schaffung von Grundlagen für die Entwicklung neuer therapeutischer Verfahren zur Anwendung beim Menschen beitragen. Für diese Beurteilung sind folgende Gründe maßgeblich:

Das Ziel der genehmigten Forschungsarbeiten besteht in der Entwicklung von dreidimensionalen Netzwerken reifer humaner neuraler Zellen, die die Cortex-Architektur nachbilden, an denen künftig beispielsweise Untersuchungen zur Entwicklungsbiologie des menschlichen Nervensystems erfolgen könnten und die künftig als Referenz für zellbasierte humane Krankheitsmodelle (beispielsweise Epilepsie) Verwendung finden könnten. Entsprechende Netzwerke waren in der Vergangenheit bereits unter Nutzung fötaler Neuronen der Ratte erfolgreich etabliert worden. Nunmehr soll überprüft werden, ob sich humane neurale Vorläuferzellen, ähnlich wie fötale Rattenneuronen, in einem 3D-System in verschiedene neuronale und gliale Zelltypen entwickeln, Synapsen bilden und ein autonomes, über einen längeren Zeitraum stabiles Netzwerk bilden. Neben den zu erwartenden Erkenntnissen darüber, ob das für Rattenzellen gewählte Vorgehen auf menschliche Zellen übertragbar ist, können aus den genehmigten Forschungsarbeiten ggf. auch Erkenntnisse darüber gewonnen werden, welche spezifischen Faktoren den Aufbau von humanen neuralen 3D-Netzwerken beeinflussen können. Zudem werden sich voraussichtlich Erkenntnisse über die Fähigkeit von humanen neuralen Vorläuferzellen zur Selbstorganisation in komplexen Gewebe­strukturen sowie über die molekularen Wechselwirkungen zwischen neuralen Zellen in einem in vitro gewachsenen 3D-Netzwerk ergeben. Dadurch könnte ggf. das Verständnis für Prozesse vertieft werden, die bei der Entwicklung des menschlichen Nervensystems auf zellulärer Ebene eine Rolle spielen, sowie Erkenntnisse insbesondere über die Bedeutung von Zell-Zell-Wechselwirkungen im Prozess der neuralen Differenzierung beim Menschen gewonnen werden.

Dreidimensionale neurale Netzwerke könnten künftig auch von erheblicher Bedeutung für die Klärung weiterer wissenschaftlicher Fragestellungen sein, wie beispielsweise jenen nach den Prozessen, die bei der Synapsenbildung ablaufen, oder danach, wie die Eigenschaften neuraler Zellen und Zell-Zell-Wechselwirkungen in neuronalen Netzwerken durch chemische oder physikalische Noxen beeinträchtigt werden. Die im Forschungsvorhaben gewonnenen Erkenntnisse könnten zudem für die Entwicklung zellbasierter Testsysteme genutzt werden, die beispielsweise für die Untersuchung der Wirkungs­weisen von Medikamenten oder für (neurale) Nebenwirkungen von Pharmaka von Bedeutung sein könnten. Durch die vorgesehene Übertragung der Vorgehensweisen auf hiPS-Zellen soll ferner überprüft werden, ob sich hES- und iPS-Zellen in gleicher Weise für die Bildung neuraler 3D-Netzwerke eignen und welche Unterschiede hierbei ggf. bestehen. Ferner sollen hiPS-Zellen von Patienten mit Erkrankungen des Nervensystems zur Herstellung neuraler Netzwerke verwendet werden, an denen der Einfluss der jeweiligen Erkrankung auf neuronale Netzwerke, beispielsweise auf Zell-Zell-Wechselwirkungen oder auf die elektrische Aktivität bestimmt werden kann, was ggf. zu einem besseren Verständnis der molekularen Grundlagen der jeweiligen Erkrankung führen kann. Eventuell könnten unter Nutzung neuronaler 3D-Netzwerke künftig Zielstrukturen für die Entwicklung von neuen therapeutischen oder präventiven Strategien identifiziert werden.

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.

Das nun unter Nutzung von hES-Zellen geplante Vorgehen zur Etablierung dreidimensionaler neuronaler Netzwerke wurde vollständig und umfänglich unter Nutzung fötaler neuraler Zellen der Ratte erarbeitet, für diese Zellen optimiert und publiziert. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Vorgehensweise geeignet war, ein in elektrophysiologischer Hinsicht aktives neuronales Netzwerk zu etablieren, in dem verschiedene Typen neuraler Zellen (Neurone und gliale Zellen) ausreiften, Synapsen bildeten und die erwartete elektrophysiologische Aktivität aufwiesen. Dabei wurden eine Zellzu­sammensetzung und Zelldichte erreicht, die der Situation im Gehirn der Maus ähnlich war. Zudem konnte gezeigt werden, dass das Netzwerk über wenigstens sechs Wochen stabil war. Die geplanten experimentellen Vorgehensweisen zur Etablierung von 3D-Strukturen, in die nunmehr aus hES-Zellen gewonnene neurale Vorläuferzellen eingebracht werden sollen, sind im Zuge der Untersuchungen an Rattenzellen ebenfalls getestet worden, müssen aber ggf. für das humane System optimiert werden. Gleiches gilt für die Differenzierung neuraler Vorläuferzellen nach deren Einbringen in die 3D-Strukturen. Hier wurde gezeigt, dass Medium, das durch sich in dreidimensionalen Kultursystemen neural differenzierende Zellen der Ratte konditioniert wurde, die Differenzierung in neurale Zellen erheblich verstärkte. Die für die Differenzierung von hES-Zellen in neurale Vorläuferzellen vorgesehenen Protokolle sind publiziert, so das weitere Vorklärungen an tierischen Zellen hier nicht erforderlich sind.

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

Die genehmigten Forschungsarbeiten sollen dazu beitragen, neue Erkenntnisse über die Entwicklung humaner neuraler Zellen unter den Bedingungen eines 3D-Systems und die dafür erforderlichen Zell-Zell-Wechselwirkungen zu erlangen. Angesichts der Tatsache, dass die Zentralnervensysteme von Mensch und Nagern große Unterschiede aufweisen, ist ein humanes 3D-Zellmodell erforderlich, um für den Menschen spezifische entwicklungsbiologische Fragestellungen klären und In-vitro-Systeme zur Detektion von humanspezifischen toxischen (Neben)Wirkungen, beispielsweise von Arzneistoffen, auf Nervenzellen untersuchen zu können.

Ferner lassen sich die Forschungsziele aller Voraussicht nach auch nicht unter Verwendung anderer als pluripotenter Stammzellen des Menschen erreichen, beispielsweise neuraler Stammzellen oder etablierter neuraler Zell-Linien. Neurale Vorläuferzellen aus menschlichen Föten sind – anders als neurale (Vorläufer)Zellen aus Gehirnen von Nager-Föten – nicht in für die Durchführung des Forschungsvorhabens erforderlicher Menge und reproduzierbarer Qualität zugänglich. Gleiches gilt für neurale Stammzellen aus geborenen Menschen. Etablierte neurale Zell-Linien, die beispielsweise aus Hirntumoren abgeleitet wurden oder die durch Immortalisierung humaner fötaler Zellen entstanden sind, sowie kommerziell erhältliche neurale Vorläuferzellen erfüllen jeweils nicht alle für die Durchführung des Forschungsvorhabens notwendigen Anforderungen wie Vermehrbarkeit zu hohen Zellzahlen, geringe genetische Variabilität und Differenzierungsfähigkeit in alle neuralen Zelltypen.

Ein Erreichen der Forschungsziele unter ausschließlicher Verwendung von hiPS-Zellen ist aufgrund der noch nicht ausreichend geklärten Frage, ob und inwieweit sich die neurale Differenzierung zwischen hiPS- und hES-Zellen unterscheidet, nach derzeitigem Kenntnisstand nicht möglich. hiPS-Zell-Linien weisen eine große Variabilität auf, die u. a. mit der jeweils gewählten Reprogram­mierungs­methode, mit dem als Ausgangsmaterial für die Reprogrammierung verwendeten Zelltyp und ggf. mit dem epigenetischen Gedächtnis von hiPS-Zellen zusammenhängt. Gerade bezüglich der Fähigkeit zur neuralen Differenzierung wurden in der Vergangenheit erhebliche Unterschiede zwischen hES- und hiPS-Zellen festgestellt und publiziert. Zudem ist vorgesehen, neurale 3D-Netzwerke aus hES-Zellen und aus hiPS-Zellen bezüglich ihrer funktionellen Eigenschaften miteinander zu vergleichen, was die Nutzung von hES-Zellen ebenfalls erforderlich macht.

Stand: 31.12.2015

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