19. Genehmigung nach dem Stammzellgesetz

1. Genehmigungsinhaber(in)

Fraunhofer Institut für Biomedizinische Technik, St. Ingbert

2. Zell-Linien

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

• H1 (Wicell Research Institute, Madison, WI, USA)
• I6 (Technion-Israel Institute of Technology, Haifa, Israel)

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-Linie(n).

3. Angaben zum Forschungsvorhaben

Für Forschungsarbeiten zur Thematik, durch Messung von Bioimpedanzen die Differenzierung humaner embryonaler Stammzellen (hES-Zellen) zu Knochengewebe (osteogene Differenzierung) zu verfolgen, wurde der Import und die Verwendung der oben genannten humanen embryonalen Stammzell-Linien (hES-Zell-Linien ) genehmigt. Bislang erfordert der Nachweis osteogener Differenzierung aus Stammzellen die Anwendung invasiver, zellverändernder Methoden. Die Bioimpedanzmessung kann dagegen zerstörungsfrei an intakten Zellen und Zellverbänden erfolgen. In den vorgesehenen Arbeiten soll die Eignung der Impedanzmessung als eigenständige Methode zur Feststellung einer osteogenen Differenzierung von hES-Zellen untersucht werden. Dazu sollen aus hES-Zellen dreidimensionale Strukturen (embryoid bodies / Embonalkörperchen) entwickelt und diese unter Nutzung etablierter Protokolle osteogen differenziert werden. Von den sich osteogen differenzierenden Zellen sollen zu verschiedenen Zeitpunkten Bioimpedanzspektren aufgenommen und die Impedanzmesswerte mit etablierten Markern zum Nachweis der osteogenen Differenzierung korreliert werden. Ferner ist vorgesehen, biophysikalische Parameter der Zellen wie z.B. Zellgeometrie, Kern-Plasma-Verhältnis und Anhaftverhalten während der osteogenen Differenzierung mittels Impedanzspektroskopie zu bestimmen. Alle Untersuchungen sollen vergleichend auch an mesenchymalen Stammzellen aus Knochenmark und Nabelschnurblut durchgeführt werden.

Das Vorhaben ist Teil eines von der Europäischen Union geförderten Projektverbundes. Bei dem Forschungsvorhaben wird mit einer voraussichtlichen Dauer von 3 Jahren gerechnet.

4. Hochrangigkeit der Forschungsziele

Entsprechend der im Antragsverfahren erbrachten wissenschaftlich begründeten Darlegungen dienen die vorgesehenen Forschungsarbeiten an 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 diese Beurteilung sind folgende Gründe maßgeblich: Es ist geplant, die Methode der Impedanzspektroskopie auf den Vorgang der osteogenen Differenzierung von hES-Zellen anzuwenden. Ziel ist es, im Ergebnis der geplanten Untersuchungen in der Lage zu sein, aus den während des Differenzierungsprozesses gewonnenen Impedanzspektren Rückschlüsse auf den Fortgang osteogener Differenzierung von hES-Zellen ziehen zu können. Dabei wird von der plausiblen Annahme ausgegangen, dass sich die Impedanz während der osteogenen Differenzierung von ES-Zellen in charakteristischer Weise ändert.

Durch systematische Korrelation der Impedanzspektren mit bekannten Parametern der osteogenen Differenzierung soll anhand der Impedanzspektren eine zerstörungsfreie Messung der osteogenen Differenzierung in dreidimensionalen Zellverbänden ermöglicht werden.

Bei Eignung als eigenständige Methode zur Feststellung des Erfolgs der osteogenen Differenzierung von humanen ES-Zellen läge ihr Vorteil gegenüber bisher genutzten Methoden darin, dass osteogene Differenzierung gegebenenfalls ohne Auflösung des differenzierten Zellverbandes bzw. ohne Zerstörung von Zellen oder Zellaggregaten nachgewiesen werden könnte.

Bei erfolgreichem Abschluß des Projektes könnte ein solches Verfahren künftig auch vorteilhaft für die Bestimmung und Kontrolle des Differenzierungserfolges bei der Herstellung von Material für die auf lange Sicht denkbare Transplantation von aus hES-Zellen osteogen differenzierten Zellen sein.

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

Die Methode der Impedanzspektroskopie ist bei der Genehmigungsihaberin etabliert. Im Antragsverfahren dargelegte Daten zeigen, dass osteogene Differenzierung humaner mesenchymaler Stammzellen ab etwa dem siebenten Tag nach Induktion der Differenzierung mittels Impedanzspektroskopie erfassbar ist. Diese Daten zeigen auch, dass sich die Impedanzspektren bei osteogener Differenzierung mesenchymaler Stammzellen in charakteristischer Weise verändern. Die Veränderung der Impedanzspektren während der osteogenen Differenzierung geht mit der Einlagerung von Kalziumphosphat in die extrazelluläre Matrix einher, wie sie für osteogene Differenzierung typisch ist. Aus den im Antragsverfahren vorgelegten publizierten Arbeiten geht überdies hervor, dass mit Hilfe der Bioimpedanzmessung in verschiedenen Zelltypen u.a. das Verhältnis von extra- und intrazellulärem Volumen in dreidimensionalen Zellverbänden, das Kern-Plasma-Verhältnis sowie Migrations- und Adhäsionseigenschaften erfassbar sind.

Aus dem Projekt wird eine Antwort auf die Frage erwartet, ob mit der Impedanzspektroskopie belastbare Aussagen über den Fortgang der osteogenen Differenzierung von hES-Zellen gemacht werden können und ob bzw. wie sich die mit hES-Zellen erhaltenen Impedanzspektren von jenen unterscheiden, die bei Verwendung humaner mesenchymaler Stammzellen aus Knochenmark und Nabelschnurblut gemessen werden. Diese vergleichenden Untersuchungen erfordern die Verwendung von hES-Zellen.

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