63. Genehmigung nach dem Stammzellgesetz

1. Genehmigungsinhaber(in)

Frau PD Dr. Beate Winner, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

2. Zell-Linien

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

• H1 (Wicell Research Institute, Madison, WI, USA)
• H7 (Wicell Research Institute, Madison, WI, USA)
• H9 (Wicell Research Institute, Madison, WI, USA)
• HUES6 (Harvard University, Cambridge, MA, USA)
• NCL-3 (Newcastle Fertility Centre, Newcastle upon Tyne, Großbritannien)
• NCL-4 (Newcastle Fertility Centre, Newcastle upon Tyne, Großbritannien)

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

Die genehmigten Forschungsarbeiten erfolgen im Rahmen der Durchführung eines Projektes, das sich in zwei Teile gliedert. Gegenstand des ersten Projektteils ist die Etablierung und Optimierung von Protokollen für die Gewinnung kortikospinaler Motoneuronen (corticospinal motor neurons, CSMNs). Ziel der Arbeiten ist die Bereitstellung eines auf humanen Zellen basierenden Modellsystems, anhand dessen degenerative Motoneuronenerkrankungen, wie beispielsweise die amyotrophe Lateralsklerose (ALS) oder die hereditäre spastische Spinalparalyse (HSP), untersucht werden können. Hierzu soll ein Protokoll für die effiziente Differenzierung von humanen embryonalen Stammzellen (hES-Zellen) in CSMNs erarbeitet und die gewonnenen Zellen bezüglich ihrer biochemischen, molekularen und funktionellen Eigenschaften umfassend in vitro charakterisiert werden. Im Anschluß daran sollen (mutierte) Gene, die eine Rolle bei der Pathogenese degenerativer Motoneuronenerkrankungen spielen, in den aus hES-Zellen gewonnenen Neuronen überexprimiert und damit ein Modell bereitgestellt werden, an dem ggf. die Pathogenese der jeweiligen Erkrankung untersucht werden kann. Schwerpunkt des zweiten Projektteiles ist die Untersuchung der Fragestellung, ob und inwieweit sich hES- Zellen und hiPS-Zellen bezüglich ihres Differenzierungspotentials in spezifische Typen neuraler Zellen gleichen bzw. unterscheiden. Dazu sollen hES-Zellen und humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPS-Zellen) parallel in verschiedene neurale Zelltypen, wie beispielsweise dopaminerge oder cholinerge Neuronen oder Astrozyten, differenziert und die entstehenden Zellpopulationen charakterisiert werden. Für die vergleichenden Untersuchungen sollen sowohl hiPS-Zellen aus gesunden als auch aus von Motoneuronenerkrankungen betroffenen Patienten genutzt 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. Für diese Beurteilung sind folgende Gründe maßgeblich:

Im genehmigten Projekt sollen Protokolle für die Differenzierung von humanen embryonalen Stammzellen in Richtung kortikospinaler Motoneuronen etabliert werden und diese auf ihre Eignung zur Modellierung neurodegenerativer Erkrankungen untersucht werden. Ziel ist die Gewinnung möglichst reiner Populationen dieses Zelltyps sowie ggf. die Identifizierung, Isolierung und Charakterisierung von Vorläuferzellen kortikospinaler Motoneuronen. Die geplantem Arbeiten können dazu beitragen, den bislang wenig verstandenen Differenzierungsweg von der pluripotenten Stammzellen bis hin zum postmitotischen kortikospinalen Motoneuron in vitro nachzubilden und dabei Moleküle und Signalwege zu identifizieren, die an dieser Differenzierung beteiligt sind. Derzeit ist beispielsweise nicht geklärt, ob die Determinierung für kortikospinale Motoneuronen bereits in sich entwickelnden neuralen Vorläuferzellen erfolgt, zu welchem Zeitpunkt der Entwicklung die Segregation kortikospinaler Motoneuronen von anderen Projektionsneuronen beobachtet werden kann und welche Signale für eine differentielle Spezifizierung in verschiedene Typen von Projektionsneuronen verantwortlich sind. Durch die Klärung dieser offenen Fragen könnten die geplanten Arbeiten wesentliche Beiträge zu einem verbesserten Verständnis der Genese des Kortex während der menschlichen Embryonalentwicklung leisten.

Die Entwicklung von Differenzierungsprotokollen für die Bereitstellung humaner kortikospinaler Motoneuronen erfolgt mit der Zielsetzung, dadurch ein humanes Zellmodell für verschiedene neurodegenerative Erkrankungen bereitzustellen. Allein die Verfügbarkeit relativ reiner Populationen von kortikospinalen Motoneuronen könnte von großem Nutzen sein, um beispielsweise Substanzen mit potentiell therapeutischer Wirkung auf die Differenzierung, die Vitalität oder die Konnektivität dieses Typs neuronaler Zellen sowie auf die zelltypspezifische Genexpression hin untersuchen zu können. Krankheitsspezifische kortikospinale Motoneuronen könnten zudem zur Identifizierung krankheitsspezifischer Signalwege sowie von potentiell therapeutischen Substanzen genutzt werden. Dies könnte zu einem vertieften Verständnis der Pathogenese degenerativer Erkrankungen der Motoneuronen und ggf. zur Entwicklung neuer Therapieoptionen beitragen.

Durch vergleichende Differenzierung von hES- und hiPS-Zellen in verschiedene Typen neuraler Zellen soll ferner Aufschluss darüber gewonnen werden, ob und inwieweit beide Typen humaner pluripotenter Stammzellen gleichermaßen für die Generierung spezifischer neuraler Zelltypen, beispielsweise cholinerger oder dopaminerger Neurone, geeignet sind. Neben verbesserten Differenzierungsprotokollen sollen diesen Untersuchungen zu Erkenntnissen über das jeweilige spezifische Differenzierungspotential von hiPS-Zellen führen. Das Vorliegen eines umfassenden neuronalen Differenzierungspotentials von hiPS-Zellen ist wiederum Voraussetzung für die Nutzung patienteneigener hiPS-Zellen als Ausgangsmaterial für die Gewinnung krankheitsspezifischer neuronaler Zellen, beispielsweise von kortikospinalen Motoneuronen aus Patienten mit ALS, denen ein hohes Potential für die Untersuchung von Pathogeneseprozessen auf zellulärer Ebene sowie für die Entwicklung neuer therapeutischer Ansätze für diese Erkrankungen zugeschrieben wird.

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.

Protokolle für die Differenzierung von murinen ES-Zellen zu kortikalen Projektionsneuronen wurden in der Vergangenheit etabliert. Die geplanten Vorgehensweisen zur Gewinnung kortikospinaler Motoneuronen basieren auch auf neuen entwicklungsbiologischen Erkenntnissen zur Entstehung kortikaler Neuronen in der Maus, beispielsweise zur Expression der Gene für bestimmte Transkriptionsfaktoren in spezifischen Stadien der Entwicklung von Projektionsneuronen, die im Antragsverfahren dargelegt wurden.

Hinsichtlich der geplanten vergleichenden Differenzierung von hES-Zellen und hiPS-Zellen in verschiedene Zelltypen des ZNS wurde dargelegt, dass in der Vergangenheit zahlreiche Protokolle für die Differenzierung von hES-Zellen in diverse neurale Zelltypen etabliert und veröffentlicht worden sind. Hier liegt folglich bereits ein gesicherter Erkenntnisstand zu hES-Zellen vor, der im zweiten Projektteil auch in Bezug auf hiPS-Zellen angestrebt wird, wobei die Differenzierungsprotokolle mit dem Ziel einer verbesserten Effizienz modifiziert, kombiniert und optimiert werden sollen.

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

Ziel der genehmigten Arbeiten ist die Etablierung eines Zellmodells auf der Grundlage humaner kortikospinaler Motoneuronen, das zur Untersuchung humaner neurodegenerativer Erkrankungen genutzt werden soll. Dabei sollen Erkenntnisse über Moleküle und Signalwege gewonnen werden, die bei der Entstehung und Reifung kortikospinaler Motoneuronen eine Rolle spielen. Zwar sind bestimmte Prozesse bei der Entstehung und Reifung des ZNS entwicklungsbiologisch konserviert, jedoch lassen sich Erkenntnisse zur Nervenzellentwicklung tierischer Spezies nicht ohne weiteres auf den Menschen übertragen, sondern müssen jeweils im humanen System verifiziert werden. Es bestehen teils deutliche Unterschiede in den metabolischen und physiologischen Eigenschaften beispielsweise muriner und humaner Zellen, die zu erheblichen Differenzen in der zellulären Kommunikation oder in der Empfindlichkeit gegenüber schädigenden Noxen führen. Es ist folglich nach derzeitigem Kenntnisstand nicht davon auszugehen, dass sich Zellen aus anderen Spezies in gleicher Weise für die Untersuchung der Differenzierung von Nervenzellen im Menschen sowie neurodegenerativer Erkrankungen eignen wie humane Zellen.

Voraussetzung für eine erfolgreiche Durchführung des Projektes ist die Verfügbarkeit von Zellen, die möglichst weitgehend primären humanen neuralen Zellen gleichen, in ausreichender Menge und reproduzierbarer Qualität verfügbar sind und eine geringe genetische Variabilität aufweisen. Derartige Zellen können nach gegenwärtigem Kenntnisstand aber nicht aus anderen als hES-Zellen gewonnen werden. Primäre humane Nervenzellen, insbesondere kortikospinale Neuronen, lassen sich derzeit nicht oder nicht in für die Projektdurchführung notwendiger Qualität und Menge gewinnen. Etablierte (i. allg. aus Neuroblastomen abgeleitete) neurale Zellen bilden nur kurze Fortsätze und ähneln in physiologischen Parametern nur sehr bedingt humanen Nervenzellen. Neurale (Vorläufer)Zellen aus abgetriebenen Föten könnten theoretisch zwar für bestimmte Fragestellungen des Projektes genutzt werden wie beispielsweise zur Untersuchung von Reifungsprozessen entsprechend determinierter Vorläuferzellen zu kortikospinalen Motoneuronen. Diese Zellen haben aber bereits bestimmte frühe Determinierungsprozesse durchlaufen,  die im beantragten Forschungsvorhaben aufgeklärt werden sollen. Zudem sind auch diese Zellen nicht in reproduzierbarer Qualität und in ausreichenden Mengen verfügbar.

Die Forschungsziele sind ferner auch nicht durch eine ausschließliche Verwendung von hiPS-Zellen zu erreichen. Zum einen ist derzeit nicht bekannt, ob sich hiPS-Zellen überhaupt zu kortikospinalen Motoneuronen differenzieren lassen; über murine iPS-Zellen liegen hierzu ebenfalls keine Erkenntnisse vor. Zum anderen soll im vorliegenden Projekt unter vergleichender Verwendung von hES-Zellen das neuronale Differenzierungspotential humaner iPS-Zellen durch Differenzierung in spezifische Zelltypen des ZNS erst untersucht und die Frage geklärt werden, ob und inwieweit hier Unterschiede zwischen diesen beiden Typen pluripotenter Zellen bestehen. Dies kann nicht alleine unter Verwendung von hiPS-Zellen erreicht werden, sondern erfordert auch die Nutzung von hES-Zellen.

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