12. Genehmigung nach dem Stammzellgesetz

1. Genehmigungsinhaber(in)

Professor Dr. Wolfram-H. Zimmermann (bis Dezember 2008 Institut für Experimentelle und Klinische Pharmakologie der Universität Hamburg-Eppendorf, seit Januar 2009 Institut für Pharmakologie, Universitätsmedizin Göttingen)

2. Zell-Linien

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

• H1 (Wicell Research Institute, Madison, WI, USA)
• H9 (Wicell Research Institute, Madison, WI, USA)
• HES-2 (ES Cell International Pte Ltd, Singapur)
• HES-3 (ES Cell International Pte Ltd, Singapur)
• HES-4 (ES Cell International Pte Ltd, Singapur)

Im Rahmen der Erweiterungen der Genehmigung vom 26.10.2012 und 14.12.2015 wurden zur Durchführung der unten benannten Forschungsarbeiten die Einfuhr und Verwendung humaner embryonaler Stammzellen der folgenden weiteren Linie genehmigt:

• H7 (Wicell Research Institute, Madison, WI, USA)
• ESI-017 (BioTime Inc., Almeda, CA, USA)
• ESI-035 (BioTime Inc., Almeda, CA, 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

Das Forschungsvorhaben hat zum Ziel, unter Verwendung humaner embryonaler Stammzellen (hES-Zellen) künstlich hergestelltes Herzgewebe (engineered heart tissue, EHT) zu konstruieren, zu charakterisieren und funktionell zu testen.

Die kardiale Differenzierung ist ein noch weitgehend unverstandener Prozess, sowohl auf zellulärer Ebene, als auch auf der Ebene von Zellverbänden und Geweben. Im vorliegenden Projekt werden zunächst, basierend auf an murinen ES-Zellen etablierten Protokollen, die Bedingungen für eine kardiomuskuläre Differenzierung aus hES-Zellen erforscht. Daraus lassen sich Schlussfolgerungen hinsichtlich der Faktoren ziehen, die eine solche Differenzierung fördern bzw. hemmen. Die differenzierten Kardiomyozyten sollen unter Nutzung spezifischer Markierungs­methoden angereichert und undifferenzierte Zellen eliminiert werden. Aus den gewonnenen Zellen soll dann, ebenfalls unter Nutzung von am murinen Modell gewonnenen Erfahrungen, Herzgewebe (EHT) hergestellt werden. Die morphologischen, strukturellen, biochemischen und funktionellen Eigenschaften von Kardiomyozyten und von EHTs sollen untersucht werden. Analysen der kardio­muskulären Differenzierung finden auf den Ebenen des Transkriptoms, des Proteoms sowie posttranslationaler Modifizierungen statt, wobei einerseits differenzierte humane Kardiomyozyten mit hES-Zellen, andererseits hu­mane EHT mit humanem Herzgewebe verglichen werden sollen. Ferner soll die Rolle kardialer Fibroblasten und der von ihnen gebildeten extrazellulären Matrix bei kardialen Differenzierungsprozessen sowie bei der Schaffung und Stabilisierung eines physiologischen myokardialen Mikromilieus analysiert werden. Diese Unter­suchungen lassen u. a. Aussagen darüber erwarten, welche Moleküle und Signalwege an der kardiomuskulären Differenzierung des Menschen beteiligt sind. Die Funktion solcher Moleküle soll in zellbiologischen Analysen getestet werden.

Ebenfalls vorgesehen ist der Vergleich zwischen fötalem, juvenilem, adultem sowie altern­dem Herzgewebe mit künstlich hergestelltem humanen Herzgewebe (EHT). Er­krank­tes humanes Herzgewebe soll in die geplan­ten vergleichenden und funktionellen Unter­suchungen einbezogen werden. Schließlich ist geplant, die hergestellten EHTs im Tiermodell hinsichtlich ihrer Funktionalität und Integration zu untersuchen.

4. Hochrangigkeit der Forschungsziele

Entsprechend der im Antragsverfahren erbrachten wissenschaftlich begründeten Darlegung dienen die vorgesehenen 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 und der Erweiterung medizinischer Kenntnisse bei der Entwicklung präventiver und therapeutischer Verfahren zur Anwendung beim Menschen.

Für diese Beurteilung sind folgende Gründe maßgeblich:

Die gewonnenen Erkenntnisse könnten in verbesserte Protokolle zur kardiovaskulären Differenzierung münden - bislang genutzte Protokolle zur Gewinnung humaner Kardiomyozyten aus hES-Zellen führen häufig nur zur Entstehung von Kardiomyozyten mit Eigenschaften fötaler Zellen. Die Untersuchung der morphologischen, strukturellen, biochemischen und funktionellen Eigenschaften von aus hES-Zellen differenzierten Kardiomyozyten sowie der Vergleich verschiedener Entwicklungsstadien lässt Rückschlüsse auf die Entwicklungsbiologie des Menschen erwarten. Ferner lässt die Herstellung von EHT bislang nicht mögliche In-vitro-Untersuchungen von Herzcharakteristika am Gewebeverband zu und erlaubt vergleichende Studien mit menschlichem Herzgewebe verschiedener Stadien und Krankheitsbilder. Aus den Transplantationsexperimenten an Tiermodellen werden sich voraussichtlich Aussagen über die prinzipielle Eignung der aus hES-Zellen gewonnenen EHT für den Herzersatz, ihre Integration in das Empfängerorgan, ihre Funktionalität sowie mögliche Probleme, wie immunologisch bedingte Abstoßung oder Entstehung von Teratomen, treffen lassen. Hieraus lassen sich Aussagen darüber ableiten, ob eine Verwendung der aus hES-Zellen abgeleiteten EHT als Gewebeersatz beim Menschen künftig in Frage kommen könnte.

Die vorgesehenen Studien sind ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Etablierung eines auf humanem Herzgewebe basierenden In-vitro-Testsystems. Solch ein System kann Aussagen über die Wirksamkeit von Pharmaka am Herzen bzw. über deren Kardiotoxizität ermöglichen. Bislang werden entsprechende Daten vor allem an isolierten Rattenkardiomyozyten gewonnen. Diese sind aber nur begrenzt auf den Menschen übertragbar. Die Verwendung humaner EHT zur Untersuchung dieser Fragestellung könnte zu verlässlicheren Urteilen über die Wirkung von Pharmaka am Herzen führen.

Die Untersuchungen des Genehmigungsinhabers sind in ein größeres Projekt eingebunden, in dem auch Untersuchungen zur Vaskularisierung der EHT sowie zur EHT-Gewinnung aus verschiedenen Typen adulter Stammzellen vorgesehen sind. Diese bilden die Grundlage für die geplanten vergleichenden Untersuchungen zum kardiomyogenen Potential verschiedener humaner Zelltypen.

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

In der Gruppe des Genehmigungsinhabers wird seit längerem an der Herstellung von EHT sowie ihrer Charakterisierung in vitro und nach Transplantation in Tiermodelle gearbeitet. Diese Arbeiten sind durch mehrere Publikationen belegt. Als Ausgangsmaterial für diese Untersuchungen dienten zunächst neonatale Kardiomyozyten aus der Ratte. Im Vorfeld der jetzt genehmigten Arbeiten wurden auch EHT aus Kardiomyozyten hergestellt, die in vitro aus murinen embryonalen Stammzellen (mES-Zellen differenziert wurden. Dabei wurden zum einen die für die EHT-Gewinnung notwendigen Differenzierungsprotokolle an mES-Zellen etabliert, die nun für die Differenzierung von hES-Zellen in angepasster Form Verwendung finden sollen. Zum anderen wurden proof of principle-Experimente durchgeführt, mit denen die Eignung der geplanten Selektionsstrategie für die Gewinnung angereicherter Kardiomyozyten-Fraktionen sowie für die Herstellung von EHT gezeigt werden konnte. Es wurden ferner Arbeiten an hES-Zellen dargelegt, die in anderen Arbeitsgruppen durchgeführt wurden und bereits die Differenzierung humaner Kardiomyozyten zum Gegenstand hatten. Die Techniken zur Transfektion von hES-Zellen bzw. für den viralen Gentransfer in diese Zellen sind ebenfalls etabliert. Dies gilt auch für die Methoden zur Charakterisierung der EHT sowie für die geplanten Vorgehensweisen zur Identifizierung von Regulator-Genen der kardiomuskulären Differenzierung und die Methoden zur Klärung dieser Fragestellung auf der Ebene des Proteoms bzw. posttranslationaler Modifikationen.

In weiteren Voruntersuchungen wurde die prinzipielle Funktionsfähigkeit von Ratten-EHT im Tiermodell gezeigt. Rückschlüsse auf spezifische Probleme, die bei der Übertragung von xenogenem Material auftreten (z.B. verminderte Integration in das Empfängerorgan, Abstoßung durch den Empfängerorganismus) oder die sich aus der Verwendung stammzellabgeleiteten Materials ergeben (Entstehung von Teratomen), können aus Untersuchungen an murinen EHT für humane EHT nicht oder nur teilweise gezogen werden und müssen daher mit humanem Material selbst getestet werden.

Die Arbeiten verfolgen die Etablierung von spezifischen Bedingungen für die Bildung humaner EHT und erfordern die Verwendung humaner Zellen. Ferner sollen im Rahmen dieser Zielstellung molekulare Mechanismen der humanen Herzzelldifferenzierung analysiert werden, z.B. durch Identifizierung von Molekülen oder Signalwegen, die die Kardiomyogenese beeinflussen. Diese können sich aber zwischen verschiedenen Spezies erheblich unterscheiden, was ebenfalls die Nutzung humaner Zellen erfordert.

Die Notwendigkeit der Verwendung von hES-Zellen ergibt sich ferner daraus, dass für die Herstellung von EHT eine große Zahl humaner Kardiomyozyten erforderlich ist. Diese Zellen können derzeit nicht in ausreichender Menge und Qualität aus alternativen Quellen, z.B. adulten Stammzellen des Knochenmarks oder des Blutes, gewonnen werden. Die Gewinnung solcher Zellen auf dem Weg der Transdifferenzierung ist konzeptionell höchst strittig. Die Notwendigkeit der Verwendung von hES-Zellen ergibt sich schließlich auch aus dem Vorhaben, vergleichende Untersuchungen zum kardiomyogenen Potential von hES-Zellen und adulten Stammzellen durchzuführen. Die Ergebnisse aus den Untersuchungen an hES-Zellen könnten dabei von wesentlicher Bedeutung für die Differenzierung auch bestimmter anderer humaner Stammzellen zu Herzmuskelzellen sein.

Eine weitere potentielle Quelle für die Gewinnung humaner Kardiomyozyten sind kardiale Vorläuferzellen aus menschlichen Föten. Zwar können derartige Zellen aus menschlichen Föten gewonnen werden, jedoch isr es nach gegenwärtigem Erkenntnisstand nicht möglich, fötale humane kardiale Vorläuferzellen in den benötigten Mengen in vitro zu vermehren und zu Kardiomyozyten zu differenzieren.

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