28. Genehmigung nach dem Stammzellgesetz

1. Genehmigungsinhaber(in)

Frau Professor Dr. Maria Wartenberg, Universitätsklinikum Jena

2. Zell-Linien

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

• H1 (Wicell Research Institute, Madison, WI, USA)
• H7 (Wicell Research Institute, Madison, WI, USA)
• H9 (Wicell Research Institute, Madison, WI, USA)
• H13 (Wicell Research Institute, Madison, WI, USA)
• H14 (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)
• HES-5 (ES Cell International Pte Ltd, Singapur)

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

In einem Vorhaben zum Thema „Bioengineering von vaskularisiertem Herzmuskelgewebe für die Zelltransplantation – Vergleich der Kardiomyogenese bei humanen embryonalen Stammzellen (hES-Zellen) und induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS-Zellen) des Menschen“ soll die Frage geklärt werden, ob und inwieweit diese beiden Zelltypen ein gleiches oder ähnliches Potential zur Herzzell-Differenzierung aufweisen und ob auf Grundlage beider Zelltypen potentiell transplantierbares menschliches Herzgewebe hergestellt werden kann.

Dazu sollen hES-Zellen kultiviert sowie unter Verwendung und Optimierung verschiedener Methoden und Protokolle in kardiale Zelltypen (Herzmuskelzellen, vaskuläre Zellen) differenziert und die dabei entstehenden kardialen Zellen mittels biochemischer, immunhistochemischer und physiologischer Methoden charakterisiert werden. Die Differenzierung soll dabei auch auf verschiedenen Trägermaterialien und in dreidimensionalen Gerüsten (sog. scaffolds) erfolgen, ferner soll das Wachstum kardial vordifferenzierter hES-Zellen nach Aussaat auf verschiedene Trägermaterialien untersucht werden. Alternativ soll die Differenzierung von hES-Zellen in dünnen Schichten auf geeigneten Trägermaterialien erfolgen, wobei eine Vaskularisierung des Gewebes durch Einsaat von (aus hES-Zellen differenzierten und magnetisch sortierten) endothelialen Vorläuferzellen geplant ist. Mögliche positive Effekte pro-angiogener Faktoren auf die Vaskularisierung sollen durch Einbringung von Polymerpartikeln in den Zellverband untersucht werden, die entsprechende Faktoren abgeben. Schließlich sollen die in vitro differenzierten Zellverbände in ein Infarktmodell der (immundefizienten) Ratte transplantiert und die Transplantate nach verschiedenen Zeiträumen bezüglich ihrer Vaskularisierung, der funktionellen Integration in das Herzgewebe der Empfängertiere sowie der Vitalität der transplantierten Zellen untersucht 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 Robert Koch-Institutes (RKI) hochrangigen Forschungszielen für den wissenschaftlichen Erkenntnisgewinn im Rahmen der Grundlagenforschung sowie, auf lange Sicht, der Erweiterung medizinischer Kenntnisse bei der Entwicklung therapeutischer Verfahren. Für diese Beurteilung sind folgende Gründe maßgeblich:

Ziel des beantragten Projektes ist die Untersuchung der Fragestellung, ob sich aus pluripotenten Zellen im Rahmen eines tissue engineering transplantierbares Herzgewebe herstellen lässt und ob sich hES-Zellen und menschliche iPS-Zellen gleichermaßen als Ausgangspunkt zur Herstellung solchen Gewebes eignen. Dazu sollen kardiale Differenzierungsprotokolle für hES-Zellen systematisch variiert und optimiert werden. Um das Problem der nur geringen Ausbeute an Kardiomyozyten bei der Verwendung herkömmlicher Differenzierungsprotokolle für hES-Zellen zu lösen, sollen zunächst frühe Schritte der kardialen Differenzierung von hES-Zellen in vitro optimiert werden. Dabei lassen sich voraussichtlich Erkenntnisse darüber gewinnen, unter welchen Bedingungen welche Typen kardialer Zellen (beispielsweise ventrikuläre Kardiomyozyten, Schrittmacherzellen usw.) entstehen. Dies könnte ein besseres Verständnis der Voraussetzungen und Bedingungen ergeben, unter denen die kardiale Differenzierung menschlicher Zellen abläuft, und im Ergebnis zu verbesserten Protokollen für die kardiale Differenzierung humaner ES-Zellen führen.

Die Kultivierung und Differenzierung von hES-Zellen (bzw. von aus hES-Zellen abgeleiteten kardialen Zellen) auf geeigneten Trägern ist Voraussetzung für ihre dreidimensionale Kultivierung und damit für ein künftiges erfolgreiches tissue engineering. Von dreidimensionaler Kultivierung verspricht man sich einen Beitrag zur Lösung derzeit bestehender Probleme bei der kardialen Differenzierung humaner ES-Zellen, wie beispielsweise des häufigen Auftretens von Kardiomyozyten eines eher fötalen Phänotyps. Überdies wird die normale (physiologische) Situation von zellulärer Differenzierung im dreidimensionalen System deutlich besser widergespiegelt als in der herkömmlichen zweidimensionalen Zellkultur, wodurch sich gegebenenfalls neue Schlüsse auf die molekularen Vorgänge während der Herzzell-Entwicklung des Menschen ziehen lassen.

Die im Vorhaben geplanten Untersuchungen zur kardialen Differenzierung in vitro schließen die Stimulation der Vaskularisierung des kardialen Gewebes ein, die durch Beimischung endothelialer Vorläuferzellen oder durch Zugabe pro-angiogener Faktoren erfolgen soll. Die Vaskularisierung soll zum einen das Überleben und die spätere Integration der Zellen in das Gewebe des Transplantatempfängers verbessern. Zum anderen wird vermutet, dass durch Wechselwirkungen von Kardiomyozyten und Endothelzellen die weitere Differenzierung und Reifung beider Zelltypen im Herzen gefördert wird, wodurch wiederum die Funktionalität und das Überleben des Transplantates gefördert werden könnte. Die geplanten Untersuchungen können folglich einen Beitrag dazu leisten, die Prozesse der Wechselwirkung verschiedener Zelltypen bei der Entwicklung des menschlichen Herzens besser zu verstehen und die Bedingungen für die Simulation der Prozesse der kardialen Differenzierung in vitro zu optimieren. Die abschließend vorgesehene Transplantation von in vitro vordifferenziertem Herzgewebe soll schließlich Aufschluss darüber erbringen, ob sich die transplantierten Zellen in das Wirtsgewebe zu integrieren vermögen, dort zur Reifung gelangen und überleben können. Daraus können Rückschlüsse darauf gezogen werden, ob die im Vorhaben etablierten und optimierten Protokolle und Methoden zu überlebensfähigen und funktionalem Herzgewebe führen.

Alle im Projekt vorgesehenen Untersuchungen an hES-Zellen sollen vergleichend auch an iPS-Zellen durchgeführt werden. Die geplanten vergleichenden Untersuchungen zwischen hES-Zellen und iPS-Zellen sollen Erkenntnisse darüber erbringen, inwieweit iPS-Zellen kardial differenziert werden können und ob sie ein zu hES-Zellen vergleichbares kardiogenes Potential haben. Das Projekt kann folglich zur Klärung der Frage beitragen, ob und inwieweit iPS-Zellen als potentielles Ausgangsmaterial für kardiale Zellersatztherapien geeignet sein könnten.

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 ist in allen wesentlichen Punkten ausreichend vorgeklärt und der Übergang zur Nutzung humaner ES-Zellen folglich gerechtfertigt ist.

Die Prozesse der kardialen Differenzierung embryonaler Stammzellen wurden bereits an embryonalen Stammzellen der Maus (mES-Zellen) ausgiebig untersucht, die Ergebnisse sind von verschiedenen Gruppen, darunter die der Genehmigungsinhaberin, publiziert worden. Daten über die Biokompatibilität einer Vielzahl von Trägermaterialien für zahlreiche primäre Zelltypen und permanente Zell-Linien sind ebenfalls in der Literatur beschrieben worden. Dreidimensionales tissue engineering wurde unter Verwendung neonataler Rattenherzzellen bereits erfolgreich durchgeführt; die dabei hergestellten Gewebe wurden bezüglich ihrer physiologischen und pharmakologischen Eigenschaften untersucht. Weiterhin wurden mehrere Protokolle zur Transplantation kardialer Zellen aus verschiedenen Zell-Quellen (fötale und neonatale kardiale Zellen, Skelettmuskelzellen, aus mES-Zellen differenzierte Herzmuskelzellen u. a.) bereits getestet. Zudem liegen mittlerweile auch einige Protokolle für die kardiale Differenzierung humaner ES-Zellen sowie Daten über die erfolgreiche Transplantation von aus hES-Zellen differenzierten Zellen in Tiermodelle des Herzinfarktes vor. Letzteres betrifft sowohl die Transplantation von Suspensionen kardialer Zellen als auch von dreidimensional vordifferenziertem und vaskularisiertem kardialen Gewebe.

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

Zur Klärung der Fragestellung, ob aus hES-Zellen für eine Transplantation in den Menschen geeignetes Herzmuskelgewebe hergestellt werden kann und wie die Protokolle und Verfahren zur effektiven Gewinnung transplantierbaren Gewebes gestaltet werden müssen, ist die Verwendung anderer als menschlicher Zellen nicht zielführend, da Protokolle zur Herstellung menschlicher Gewebe ausschließlich an menschlichen Zellen etabliert und optimiert werden können. So führt beispielsweise eine Behandlung mit Retinsäure oder DMSO bei embryonalen Stammzellen der Maus, nicht aber des Menschen, zu einer Stimulation der kardialen Differenzierung. Auch haben murine kardiale Zellen eine mehrfach höhere Taktfrequenz als entsprechende humane Zellen. Insofern ist davon auszugehen, dass auch die zu untersuchenden molekularen Grundlagen dieser Differenzierungsprozesse, trotz einiger grundlegender Gemeinsamkeiten, sich bei verschiedenen Spezies deutlich voneinander unterscheiden.

Die im Projekt geplanten systematischen Untersuchungen von Prozessen zur Auslösung und zum Verlauf von kardialer Differenzierung erfordern ferner Zellen, die noch keine Determinierung/Spezifizierung erfahren haben. Dies sind nach gegenwärtigem Kenntnisstand nur embryonale Stammzellen. Fötale Zellen, die gegebenenfalls zur Untersuchung späterer Prozesse der Herzzell-Differenzierung verwendet werden könnten, werden aus abgetriebenen Föten gewonnen und sind unter praktisch realisierbaren Bedingungen nicht in ausreichendem Maße verfügbar. iPS-Zellen, die eine denkbare Alternative zu hES-Zellen darstellen, sollen im beantragten Projekt erst auf ihre kardiale Differenzierbarkeit hin untersucht und mit hES-Zellen verglichen werden.

Die Frage, welche Trägermaterialien sich für die Herstellung humanen Herzgewebes eignen, kann ebenfalls nur an menschlichen (Herz-)Zellen geklärt werden, da die Wechselwirkung mit den Trägermaterialien maßgeblich durch die Präsenz bestimmter Oberflächenmoleküle bestimmt wird, die zelltyp- und speziesspezifisch sind. Ferner erfordert die geplante systematische Untersuchung einer Vielzahl möglicher Materialien eine große Zahl humaner kardialer Zellen, die aus fötalen Zellen bzw. aus Primärmaterial des Menschen derzeit nicht gewonnen werden können. Insofern können die geplanten Untersuchungen nur an aus hES-Zellen differenzierten Herzzellen durchgeführt werden. Auch hier soll erst im Verlauf des Projektes geklärt werden, ob und inwieweit iPS-Zellen zu hES-Zellen identische oder vergleichbare Eigenschaften haben.

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