42. Genehmigung nach dem Stammzellgesetz

1. Genehmigungsinhaber(in)

Herr Professor Dr. Agapios Sachinidis, Institut für Neurophysiologie der Universität Köln 

2. Zell-Linie(n)

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)
• H13 (Wicell Research Institute, Madison, WI, USA)
• HES-1 (ES Cell International Pte Ltd, Singapur)
• HES-2 (ES Cell International Pte Ltd, Singapur)

Im Rahmen der Erweiterung der Genehmigung vom 06.03.2013 wurden zur Durchführung der unten benannten Forschungsarbeiten die Einfuhr und Verwendung humaner embryonaler Stammzellen der folgenden weiteren Linie genehmigt:

• HES-3 (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-Linien.

3. Angaben zum Forschungsvorhaben

Gegenstand der genehmigten Arbeiten, die im Rahmen eines von der EU geförderten Verbundprojektes durchgeführt werden sollen, ist die Optimierung von Protokollen für die Kultivierung und kardiale Differenzierung von humanen embryonalen Stammzellen (hES-Zellen). Dabei sollen zunächst unter Nutzung von Reporter- und Markergenen, die spezifisch in sich entwickelnden Herzzellen exprimiert werden, hES-Zellen hergestellt werden, mit denen sich die kardiale Differenzierung verfolgen und quantifizieren lässt. Vor allem soll die Frage untersucht werden, ob und in welchem Umfang spezifische Wachstumsfaktoren und sog. kleine Moleküle (small molecules) in der Lage sind, die kardiale Differenzierung von hES-Zellen zu beeinflussen. Die Wirkung kleiner Moleküle auf die kardiale Differenzierung soll sowohl in embryoid body-basierten als auch in monolayer-Differenzierungssystemen untersucht und die differenzierten Zellen detailliert, beispielsweise hinsichtlich ihres Transkriptoms und Proteoms, analysiert werden. Es ist zudem geplant, die Differenzierung im Rahmen miniaturisierter Bioreaktoren zu etablieren und zu optimieren, so dass kleine Moleküle auch im Mittel- bis Hochdurchsatzverfahren bezüglich ihrer kardiomyogenen Wirkungen untersucht werden können. Die geplanten Untersuchungen sollen teilweise im Vergleich zwischen hES-Zellen und humanen induzierten pluripotenten Zellen (hiPS-Zellen) durchgeführt 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 sowie der Erweiterung von Kenntnissen bei der Entwicklung diagnostischer, präventiver oder therapeutischer Verfahren zur Anwendung beim Menschen. Für diese Beurteilung sind folgende Gründe maßgeblich:

Gegenstand des beantragten Vorhabens sind die Entwicklung und Optimierung von Protokollen für die Differenzierung von hES-Zellen zu reinen Populationen von Kardiomyozyten. Schwerpunkt dabei ist die Identifizierung von Wachstumsfaktoren und kleinen Molekülen (small molecules), die in für die kardiale Differenzierung kritische Signalkaskaden eingreifen und die kardiomyogene Differenzierung positiv beeinflussen. Die aus dem Projekt zu erwartenden Erkenntnisse könnten insgesamt zu einem besseren Verständnis von kardialen Differenzierungs­mechanismen im Menschen beitragen.

Die im Projekt zu etablierenden genetisch modifizierten hES-Zell-Linien sollen dazu genutzt werden, Wachstumsfaktoren und kleine Moleküle (small molecules) mit kardiomyogener Wirkung zu identifizieren und hinsichtlich ihrer Wirkung auf die Differenzierung und Vermehrung von Kardiomyozyten zu untersuchen. Durch Analyse der sich jeweils differenzierenden Zellen, beispielsweise hinsichtlich ihres Transkriptoms und ihres Proteoms, sollen Rückschlüsse auf weitere (intrazelluläre) Moleküle sowie auf Signalübertragungskaskaden gezogen werden, die an der Kardiomyogenese beteiligt sind. Daraus können sich ebenfalls neue Erkenntnisse über die Herzzell-Entwicklung beim Menschen ergeben. Zudem können die transgenen hES-Zellen voraussichtlich genutzt werden, kardial differenzierte Zellen weiter anzureichern und dadurch zu reineren Populationen an humanen Kardiomyozyten zu gelangen, als sie bislang zur Verfügung stehen.

Im Projekt ist zudem geplant, die Differenzierung von hES-Zellen zu kardialen Zellen in kleinen Bioreaktoren (small scale bioreactors) zu etablieren und zu optimieren. Dies soll zum einen eine bessere Reproduzierbarkeit und Standardisierbarkeit der Differenzierung von hES-Zellen zu kardialen Zellen ermöglichen. Zum anderen sollen so die Voraussetzungen dafür geschaffen werden, die o.g. Testung von Wachstumsfaktoren und kleinen Molekülen in Hinblick auf deren kardiomyogene Wirkung auch im Mittel- bzw. Hochdurchsatzverfahren vornehmen und somit eine große Zahl dieser Substanzen in zahlreichen Kombinationen und Konzentrationen effizient und kostengünstig testen zu können. Die neu entwickelten bzw. optimierten Protokolle für die kardiale Differenzierung sollen an die Bedingungen der Bioreaktoren (beispielsweise unter Verwendung vollständig synthetischer Medien und ohne murine feeder-Zellen) angepasst und systematisch variiert werden, um optimierte und standardisierte Zellkulturbedingungen zu schaffen, die im Ergebnis zu einer deutlich verbesserten Effizienz der Differenzierung zu Herzmuskelzellen führen sollen.

Die im Projekt vorgesehenen Untersuchungen an hES-Zellen sollen vergleichend auch an hiPS-Zellen durchgeführt werden. Die im Projekt entwickelten kardialen Differenzierungs­protokolle unter Nutzung von Substanzen, die die kardiale Differenzierung von hES-Zellen positiv beeinflussen, sollen dazu auf humane iPS-Zellen übertragen und die Ergebnisse mit jenen aus den Experimenten an hES-Zellen verglichen werden. Die geplanten vergleichenden Untersuchungen zwischen hES- und hiPS-Zellen lassen Erkenntnisse über das kardiomyogene Potential auch von hiPS-Zellen erwarten. Ferner können weitere Eigenschaften beider Zelltypen in Bezug auf Wachstumsbedingungen und Stabilität unter den im Projekt entwickelten und optimierten Kultivierungs- und Differenzierungsbedingungen (z.B. in kleinen Bioreaktoren) vergleichend bewertet werden. 

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.

Im Antragsverfahren wurde dargelegt, dass die geplante Vorgehensweise zur Optimierung der kardialen Differenzierung von hES-Zellen, insbesondere unter Nutzung transgener ES-Zellen und unter Verwendung kleiner Moleküle, geeignet ist, kardiale Zellen in großer Reinheit zu isolieren. Ferner wurde dargelegt, dass das geplante Konzept bereits genutzt wurde, um die Wirkung kleiner Moleküle auf die Kardiomyogenese muriner ES-Zellen zu untersuchen. Dabei wurden sowohl kleine Moleküle identifiziert, die die Kardiomyogenese fördern, als auch solche, die diese hemmen.

Die geplanten Untersuchungen zielen unter anderem auf eine weitere Optimierung und Standardisierung der Bedingungen für die Kultivierung und Differenzierung von hES-Zellen zu Kardiomyozyten in speziellen, von Kooperationspartnern entwickelten Apparaturen und Verfahren, wobei u.a. spezifische Trägermaterialien und für hES-Zellen optimierte weitere Kulturbedingungen zum Einsatz kommen. Es wurde plausibel dargelegt, dass aufgrund der spezifischen Anforderungen an die Kultivierung von hES-Zellen, die sich von denen für ES-Zellen anderer Spezies teils erheblich unterscheiden, eine Vorklärung unter Nutzung anderer Zellen mit einem für die hier interessierenden Forschungsfragen relevanten Erkenntnisgewinn nicht erwartet werden kann.

Im Rahmen des Projektes soll auch überprüft werden, ob die Bedingungen für eine erfolgreiche kardiale Differenzierung von hiPS-Zellen und hES-Zellen identisch sind bzw. ob und inwiefern sich diese voneinander unterscheiden. Da es sich bei hES-Zellen um originäre pluripotente Zellen des Menschen handelt, sind sie zu Vergleichszwecken für die Untersuchung von Eigenschaften von hiPS-Zellen an besten geeignet.

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

Das Projekt zielt auf einen Erkenntnisgewinn darüber, auf welchem Wege eine möglichst effiziente Herstellung von Herzmuskelzellen des Menschen möglich ist, welche Signalwege daran beteiligt sind und welche (kleinen) Moleküle eine fördernde oder hemmende Wirkung auf die Kardiomyogenese des Menschen haben können. Zellbiologische Prozesse, die an der Entstehung und Entwicklung humaner kardialer Zellen beteiligt sind, unterscheiden sich teils von denen anderer Spezies, beispielsweise hinsichtlich der Induktion der kardialen Differenzierung. Insofern können die in dem Vorhaben geplanten Untersuchungen nur unter Verwendung menschlicher Zellen durchgeführt werden.

Adulte Stammzellen, beispielsweise solche aus dem Knochenmark, sind als alternative Zellquelle für die Gewinnung von Kardiomyozyten nicht geeignet; bislang wurde nicht gezeigt, dass diese Zellen in der Lage sind, Kardiomyozyten in großer Zahl und Reinheit zu bilden, wie es im beantragten Projekt unter Verwendung von hES-Zellen angestrebt wird.

Untersuchungen mit gewebespezifischen Stammzellen aus dem Herzmuskel stehen noch am Anfang. Zwar wurde kürzlich gezeigt, dass diese Zellen grundsätzlich zu Kardiomyozyten differenziert werden können, jedoch sind sie in Zellkultur derzeit nicht zu für das Projekt ausreichenden Mengen expandierbar. Ein zentraler Punkt des Vorhabens ist zudem die Untersuchung der Wirkung von Substanzen mit vermuteter Wirkung auf die Kardiomyogenese des Menschen. Für die zu untersuchenden Substanzen ist unbekannt, in welcher Phase der Differenzierung von hES-Zellen zu Kardiomyozyten sie gegebenenfalls ihre Wirkungen entfalten. So könnten sie bereits in frühe Prozesse der Kardiomyogenese eingreifen, die kardiale Stammzellen bereits durchlaufen haben. Auch aus diesem Grunde können adulte gewebespezifische Stammzellen hier nicht anstelle von hES-Zellen eingesetzt werden.

Obwohl iPS-Zellen des Menschen grundsätzlich in kardiale Zellen differenziert werden können, ist eine gerichtete Differenzierung zu Kardiomyozyten bislang nicht gezeigt worden, so dass hiPS-Zellen zur Erreichung des formulierten Forschungsziels derzeit keine Alternative zu hES-Zellen darstellen. Im vorliegenden Projekt sollen hiPS-Zellen und hES-Zellen bezüglich ihres kardiomyogenen Potentials erst vergleichend analysiert und bewertet werden. Die Verwendung von hES-Zellen, bei denen es sich um die originären pluripotenten Zellen des Menschen handelt, ist daher auch zu Vergleichszwecken notwendig.

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