Navigation und Service

Zielgruppeneinstiege

120. Genehmigung nach dem Stammzellgesetz

Erteilt am 28.02.2017.

1. Genehmigungsinhaber(in)

Max-Delbrück-Zentrum für Molekulare Medizin (MDC), Berlin

2. Zell-Linien

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

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

Die Genehmigung gilt auch für die 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 genehmigten Forschungsarbeiten lassen sich in zwei Projektteile untergliedern.

Gegenstand des ersten Projektteils ist die Untersuchung der molekularen Grundlagen der Differenzierung des menschlichen Rückenmarks aus neuromesodermalen Vorläuferzellen (neural-mesodermal progenitors, NMP-Zellen). Dabei soll insbesondere die Rolle des Wnt-Signalweges und daran beteiligter Faktoren für die Identität und für die Differenzierungsentscheidungen hES-Zell-abgeleiteter NMP-Zellen untersucht werden. Hierfür soll in hES-Zell-abgeleiteten Reporterzellen, die die Aktivierung des Wnt-Signalweges anzeigen, ein funktioneller knock out von Genen für bestimmte Transkriptionsfaktoren erfolgen, deren Genprodukte (mutmaßlich) in die Aufrechterhaltung der NMP-Zell-Population und deren Differenzierungsentscheidungen involviert sind. Nach Differenzierung in  NMP-Zellen soll deren weitere Entwicklung in Abhängigkeit von der Aktivität des Wnt-Signalweges analysiert und die molekularen Grundlagen von Differenzierungsentscheidungen durch Analyse der jeweiligen Transkriptome bestimmt werden. Ferner soll ein In-vitro-Modell für die frühe Rückenmarkentwicklung beim Menschen etabliert werden. Hierfür sollen auf der Grundlage von hES-Zellen Reporterzell-Linien hergestellt werden, anhand derer die Entwicklung von NMP-Zellen in die neurale bzw. mesodermale Linie verfolgt werden kann. Diese Zellen sollen dann in eine geeignete Matrix eingebracht, dadurch die Selbstorganisation der NMP-Zellen zu einem (frühen) Rückenmark-Organoid angestoßen und die Bedingungen der Organoidbildung schließlich optimiert werden.

In einem zweiten Projektteil sollen die Bedingungen untersucht und optimiert werden, unter denen sich NMP-Zellen zu spinalen Motoneuronen unterschiedlicher Identität entwickeln können. Hierbei soll u. a. evaluiert werden, ob eine Überexpression verschiedener HOX-Gene in hES-Zell-abgeleiteten NMP-Zellen eine Differenzierung zu brachialen, thorakalen oder lumbalen Motoneuronen begünstigen kann. Zu diesem Zweck sollen entsprechend transgene hES-Zellen generiert, in Motoneuronen differenziert und diese hinsichtlich ihres Phänotyps umfassend mit dem Ziel der Identifizierung jener Signalwege charakterisiert werden, die eine Modulation der Differenzierung in spezifische Typen von Motoneuronen erlauben. Desweiteren soll die Rolle von BRACHYURY bei der Differenzierung von NMP-Zellen in Motoneurone näher bestimmt werden.

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 (ZES) und des Robert Koch-Institutes (RKI) hochrangigen Forschungszielen für den wissenschaftlichen Erkenntnisgewinn für die Grundlagenforschung. Für diese Beurteilung sind folgende Gründe maßgeblich:

Im Rahmen der genehmigten Forschungsarbeiten sollen Fragen nach den molekularen Eigenschaften neuromesodermaler Vorläuferzellen (NMP-Zellen) geklärt werden. Dieser Zelltyp hat eine maßgebliche Funktion bei der fortschreitenden Verlängerung der Längsachse des Embryos bei gleichzeitiger und koordinierter Differenzierung in neurale und mesodermale Zellen; allerdings ist derzeit nicht geklärt, auf welchem Wege die Population der NMP-Zellen während der frühen Phase der Embryonalentwicklung aufrechterhalten wird und welche Signale ihre Differenzierung in mesodermale bzw. neuroektodermale Zellen anstößt. Zudem ist die Identität dieser Zellen nicht endgültig geklärt. Die Forschungsarbeiten zielen daher darauf, Erkenntnisse über die molekularen Eigenschaften sowie über die Grundlagen von Differenzierungsentscheidungen von humanen NMP-Zellen zu gewinnen, die individuelle Rolle bestimmter Transkriptionsfaktoren für die Selbsterneuerung bzw. für Differenzierungsentscheidungen von NMP-Zellen zu bestimmen und ggf. spezifische Signalkaskaden zu identifizieren, die für die weitere Entwicklung von NMP-Zellen maßgeblich sind. Legt man die offenbar große Bedeutung des NMP-Zell-Pools zugrunde, können die hier angestrebten Erkenntnisse ggf. erheblich zum Verständnis früher Prozesse der menschlichen Embryonalentwicklung auf zellulärer Ebene beitragen.

Ferner sollen NMP-Zellen zur Etablierung eines dreidimensionalen Modells für die frühe Entwicklung des menschlichen Rückenmarks genutzt werden. Dabei sollen die Bedingungen für die Bildung der entsprechenden dreidimensionalen Zellaggregate für ein „Schwanzknospen“-Modell optimiert, die Selbstorganisation der NMP-Zellen zu 3D-Aggregaten und die Ausbildung einer anterioren-posterioren Achse über einen längeren Zeitraum beobachtet sowie die sich aus NMP-Zellen entwickelnden Zelltypen in verschiedenen Regionen des Organoids und zu verschiedenen Zeitpunkten von dessen Entwicklung charakterisiert werden. Auf diesem Wege sollen Erkenntnisse über die räumliche Organisation und Migration der Zellen, ihre Wechselwirkungen im Organoid, ihre Spezifizierung zu bestimmten Zelltypen sowie über die zeitliche Abfolge von Prozessen der frühen Organoidbildung erlangt werden. Das Modell kann ggf. dazu beitragen, frühe Prozesse insbesondere der Entwicklung posteriorer Strukturen im frühen menschlichen Embryo (Schwanzknospenbildung) nachzubilden, die extrinsischen Voraussetzungen für diese Differenzierungsprozesse zu bestimmen und dadurch Erkenntnisse mit Relevanz für entwicklungsbiologische Fragestellungen zu gewinnen.

Weiterhin sollen Prozesse der Diversifizierung menschlicher Motoneurone untersucht und die Vorgehensweisen für eine effiziente In-vitro-Differenzierung von pluripotenten Stammzellen des Menschen in spezifische Typen von Motoneuronen etabliert werden. Herkömmliche Vorgehensweisen zur Differenzierung humaner pluripotenter Stammzellen zu Motoneuronen sind relativ langwierig und führen vorwiegend zu Motoneuronen zervikaler und brachialer Identität. Die biologischen Mechanismen der Entwicklung verschiedener Subtypen von Motoneuronen sind für den Menschen bislang nur unvollständig verstanden. Differenzierungsprotokolle, die zu Motoneuronen einer positionsspezifischen Identität (zervikal, brachial, thorakal, lumbal) führen, sind gegenwärtig nicht verfügbar. Im Rahmen der genehmigten Forschungsarbeiten sollen u. a. Moleküle und Signalwege identifiziert werden, die in Prozesse der Motoneuron-Spezifizierung involviert sind und dadurch Einblicke in extrinsische Signale, Transkriptionsprogramme und interzelluläre bzw. parakrine Kommunikationswege gewonnen werden, die für die Entwicklung spezifischer Typen von Motoneuronen von Bedeutung sind. Dies kann zu neuen Erkenntnissen über frühe neurale Entwicklungsprozesse während der menschlichen Embryogenese sowie ggf. zur Etablierung verbesserter Protokolle für die In-vitro-Differenzierung von pluripotenten Stammzellen des Menschen in Motoneurone führen, beispielsweise infolge der geplanten Analyse der molekularen Konsequenzen einer ektopischen Überexpression verschiedener Hox-Gene in sich differenzierenden NMP-Zellen. Angesichts der Tatsache, dass zahlreiche degenerative Erkrankungen des Nervensystems durch den Verlust der Funktion von Motoneuronen bedingst sind, können die angestrebten Resultate mittelfristig auch von medizinischer Relevanz 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 in allen wesentlichen Punkten ausreichend vorgeklärt ist.

Die Existenz bipotenter NMP-Zellen, die sowohl in posteriores Neuroektoderm als auch in paraxiales Mesoderm differenzieren können, ist für den frühen murinen Embryo in vivo umfangreich belegt. Die Herstellung von NMP-Zellen ist sowohl unter Nutzung muriner ES-Zellen als auch auf der Grundlage humaner ES-Zellen gelungen. Die Analyse des Transkriptoms muriner NMP-Zellen führte zudem zur Identifizierung von ca. 240 Genen, die in NMP-Zellen verstärkt exprimiert werden, deren spezifische Rolle für die Identität, Aufrechterhaltung und Differenzierung humaner NMP-Zellen nunmehr geklärt werden soll. In diesem Zusammenhang liegen aus dem Maus-System u. a. bereits starke Anhaltspunkte für eine entscheidende Rolle des Wnt-Signalweges für die Proliferation und Selbsterneuerung der murinen NMP-Zell-Population vor. Hinsichtlich der Etablierung von Modellen für die frühe Rückenmarkentwicklung wurde, unter Nutzung muriner ES-Zellen, ein 3D-Modell etabliert, in dem die instruierende Wirkung der wnt/FGF-Signalkaskaden auf die Entstehung einer NMP-Zell-Population unter dreidimensionalen Bedingungen nachgewiesen und die Bedingungen für die Expansion des Aggregates untersucht wurden. Protokolle für die Differenzierung von (murinen und humanen) embryonalen Stammzellen zu Motoneuronen wurden in der Vergangenheit etabliert. Die Rolle von Produkten der HOX-Gene für die Segmentierung des sich entwickelnden Embryos sowie die Expression verschiedener HOX-Gene in bestimmten Subtypen von Motoneuronen sind gut etabliert.

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

Die Erreichung der Forschungsziele erfordert die Verwendung menschlicher Zellen. Grundprinzipien der Organogenese und Embryonalentwicklung sind zwar innerhalb verschiedener Säuger-Spezies konserviert; Gegenstand des Forschungsvorhabens ist aber die Charakterisierung humaner NMP-Zellen gerade auch hinsichtlich möglicher Unterschiede zu den bislang sehr viel umfangreicher charakterisierten NMP-Zellen murinen Ursprungs. Aufgrund des sehr schmalen Zeitfensters, während dessen Differenzierungsentscheidungen im sich entwickelnden Embryo durch bestimmte Moleküle angestoßen werden, sind ‒ angesichts der sehr unterschiedlichen Kinetik der Embryonalentwicklung in verschiedenen Spezies ‒ Unterschiede auch zwischen den aus embryonalen Stammzellen abgeleiteten NMP-Zellen zu erwarten. Die Forschungsziele können auch nicht unter Nutzung anderer als pluripotenter Stammzellen des Menschen erreicht werden, da hier ein Zellmodell zur Untersuchung früher Prozesse der menschlichen Embryogenese benötigt wird. Alle anderen denkbaren humanen Zelltypen (adulte und fötale Stammzellen, primäre Zellen, immortalisierte Zellen) haben aber das hier relevante (frühembryonale) Entwicklungsstadium bereits durchschritten.

Nach gegenwärtigem Kenntnisstand liegen auch keine ausreichenden Hinweise darauf vor, dass sich die Forschungsziele unter Nutzung humaner induzierter pluripotenter Stammzellen (hiPS-Zellen) erreichen ließen. Zum einen liegen derzeit keine Studien vor, nach denen eine Herstellung von NMP-Zellen aus hiPS-Zellen erfolgreich durchgeführt wurde. Zum anderen sollen im Rahmen der beantragten Forschungsarbeiten Prozesse der frühen Embryogenese anhand eines möglichst gut geeigneten Zellmodells aufgeklärt werden. Für ein solches Zellmodell sind aber nach derzeitigem Kenntnisstand hES-Zellen, die aus einem frühen menschlichen Embryo stammen, besser geeignet als hiPS-Zellen, die durch Reprogrammierung aus somatischen Zellen gewonnen werden. Bei hiPS-Zellen besteht eine erhebliche Variabilität im Differenzierungspotential, die ggf. auf genetische Unterschiede zwischen den Spendern der somatischen Ausgangszellen oder auf eine unvollständige Reprogrammierung zurückgeführt werden können. Zudem stellt die reprogrammierungsbedingte De-novo-Mutagenese ein in hiPS-Zellen beobachtetes Phänomen dar, dessen Konsequenzen für die Nutzbarkeit der jeweiligen hiPS-Zell-Linie nicht vorhergesagt werden können.

Stand: 28.02.2017

Gesundheitsmonitoring

In­fek­ti­ons­schutz

Forschung

Kom­mis­sio­nen

Ser­vice

Das Robert Koch-Institut ist ein Bundesinstitut im Geschäftsbereich des Bundesministeriums für Gesundheit

© Robert Koch-Institut

Alle Rechte vorbehalten, soweit nicht ausdrücklich anders vermerkt.