44. Genehmigung nach dem Stammzellgesetz

1. Genehmigungsinhaber(in)

Fraunhofer Gesellschaft, Institut für Biomedizinische Technik (IBMT)

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)
• SA001 (Cellartis AB, Göteborg, Schweden)
• SA002 (Cellartis AB, Göteborg, Schweden)
• SA167 (Cellartis AB, Göteborg, Schweden)
• SA461 (Cellartis AB, Göteborg, Schweden)

Im Rahmen der Erweiterung der Genehmigung vom 25.07.2011 wurden zur Durchführung der unten benannten Forschungsarbeiten die Einfuhr und Verwendung humaner embryonaler Stammzellen der folgenden weiteren Linien genehmigt:

• SA121 (Cellartis AB, Göteborg, Schweden)
• SA181 (Cellartis AB, Göteborg, Schweden)

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

Das Forschungsvorhaben, für dessen Durchführung die Einfuhr und Verwendung der o. g. humanen embryonalen Stammzellen (hES-Zellen) genehmigt wurde, beschäftigt sich mit der Anwendung und Optimierung neuartiger Techniken (sog. mikrofluidischer Systeme) für die Kultivierung und Differenzierung von hES-Zellen. Dabei sollen neben teils neuartigen Kultivierungsverfahren beispielsweise auch verschiedene Trägermaterialien, Medien und sog. kleine Moleküle hinsichtlich ihres Einflusses auf das Wachstum und die Eigenschaften von hES-Zellen sowie auf deren Differenzierung in kardiale und hepatische Zellen hin untersucht werden. Schwerpunkte sind der Einsatz und die Evaluierung miniaturisierter Kultursysteme (z.B. kleiner Bioreaktoren), automatisierter Kultivierungsmethoden (z.B. Pipettier-Roboter) sowie neu entwickelter Vorgehensweisen (z.B. eines modifizierten hanging drop-Verfahrens, Verkapselung der Zellen in Alginaten) für die Kultivierung und Differenzierung von hES-Zellen. Ziel ist es, reproduzierbare, standardisierbare und gegebenenfalls Xenogen-freie Kultivierungsverfahren zu entwickeln, die in kleinem Maßstab etabliert und anschließend im Hochdurchsatzverfahren durch Testung verschiedener Kombinationen von Wachstums- und Differenzierungsfaktoren weiter optimiert werden sollen. Zusätzlich ist, aufbauend auf bisherigen Erfahrungen der Genehmigungsinhaberin, die Entwicklung neuer Kryokonservierungsverfahren für hES-Zellen und daraus abgeleitete Zellen vorgesehen. Die neu entwickelten Verfahren sollen auch auf humane induzierte pluripotente Zellen (hiPS-Zellen) angewandt 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:

Gegenwärtig existieren keine einheitlichen Standards für die Kultivierung von hES-Zellen; derzeit eingesetzte Protokolle sind hinsichtlich der Medien und Wachstumsfaktoren heterogen, oft nicht validiert und meist auf die Verwendung von embryonalen Maus-Fibroblasten als feeder-Zellen sowie auf die Nutzung tierischer Medienbestandteile angewiesen. Dies ist mit zahlreichen Problemen verbunden, beispielsweise mit genetischer Instabilität oder mit Veränderungen der für die Pluripotenz der Zellen wesentlichen Eigenschaften bei Langzeitkultivierung sowie mit der potentiellen Kontamination der Zellen durch tierische Komponenten. Das Vorhaben konzentriert sich daher auf die Evaluierung und Optimierung von bereits unter Nutzung anderer Zellen entwickelten neuen Verfahren für die Kultivierung und Differenzierung von hES-Zellen mit dem Ziel, verbesserte und standardisierbare Kultivierungsverfahren für hES-Zellen zu entwickeln, die gegebenenfalls auch Xenogen-frei gestaltet werden sollen. Dieses Ziel ist sowohl hinsichtlich der Bereitstellung eines besser charakterisierten und einheitlichen Ausgangsmaterials hoher Qualität für die Forschung als auch im Hinblick auf eine künftig denkbare therapeutische Nutzung aus hES-Zellen differenzierter Zellen von erheblicher wissenschaftlicher Relevanz. Gegebenenfalls lassen sich aus den Untersuchungen auch Erkenntnisse darüber ableiten, welche Moleküle und Signalwege für die Aufrechterhaltung der Pluripotenz von hES-Zellen von Bedeutung sind.

Derzeit verfügbare Protokolle für die Differenzierung von hES-Zellen in kardiale und hepatische Zellen sind noch nicht geeignet, Zellen zu generieren, die alle wesentlichen Eigenschaften der jeweiligen primären menschlicher Zellen aufweisen. Zudem ist die Effizienz der gerichteten Differenzierung von hES-Zellen in diese Zelltypen gering; spontane und unkontrollierte Ko-Differenzierungen in andere Zelltypen können bislang kaum verhindert werden. Auf der Grundlage der im Projekt zu entwickelnden miniaturisierten und automatisierten Kultursysteme sollen daher verbesserte Bedingungen für die Differenzierung von hES-Zellen in Hepatozyten und Kardiomyozyten in kleinsten Maßstäben reproduzierbar unter standardisierten Bedingungen gestaltet und anschließend, durch Testung einer Vielzahl von Kombinationen unterschiedlicher Medien, Wachstumsfaktoren und kleiner Moleküle im Hochdurchsatzverfahren schrittweise verbessert und optimiert werden. Auf diesem Wege soll ein breites Spektrum an Substanzen hinsichtlich ihrer Wirkung auf die Differenzierung in die genannten Zelltypen zeit- und kosteneffizient getestet und im Ergebnis ein verbessertes Verfahren für die kontrollierbare und standardisierte Differenzierung von hES-Zellen, insbesondere in miniaturisierten Systemen, zur Verfügung gestellt werden. Dabei können sich voraussichtlich auch neue Erkenntnisse über molekulare Vorgänge ergeben, die bei der Differenzierung von hES-Zellen zu Herz- und Leberzellen eine Rolle spielen. Ferner könnten die Untersuchungen dazu beitragen, Grundlagen für neue Verfahren zur Toxizitätstestung sowie für das Screening pharmakologisch wirksamer Substanzen zu schaffen.

Mit den im Projekt zu entwickelnden Methoden sollen auch die Kultivierungs- und Differenzierungsbedingungen für hiPS-Zellen optimiert und die Ergebnisse mit jenen für hES-Zellen verglichen werden. Daraus werden neue Erkenntnisse über die Eigenschaften beider Zelltypen in Bezug auf Wachstumsbedingungen und Stabilität unter den vorgesehenen Kultivierungs- und Differenzierungsbedingungen erwartet, die von hohem wissenschaftlichem Interesse sind.

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

Es wurde dargelegt, dass das Projekt in allen wesentlichen Punkten ausreichend vorgeklärt und die Nutzung humaner ES-Zellen gerechtfertigt ist.

Dazu wurden Daten aus der Literatur und die Ergebnisse eigener Untersuchungen vorgelegt, die teils mit Publikationen und teils mit bislang nicht veröffentlichten Daten belegt worden sind.

Die zur Anwendung an hES-Zellen vorgesehenen Techniken wurden bereits an verschiedenen tierischen und menschlichen Zelltypen erprobt. Dies betrifft z.B. die Verwendung von Pipettier-Robotern, die Entwicklung des Prototyps eines Bioreaktors, der auf miniaturisierten Durchfluss-Systemen beruht, die zur Anwendung an hES-Zellen vorgesehene modifizierte Methode des hängenden Tropfens (modified hanging droplet method) und die für die Verkapselung von Zellen geplante Vorgehensweise.

Arbeiten zur Differenzierung von embryonalen Stammzellen in Herz- und Leberzellen wurden sowohl unter Verwendung muriner als auch humaner ES-Zellen vielfach durchgeführt und sind aus der internationalen Literatur bekannt. Auch die Fähigkeit von bestimmten kleinen Molekülen, Differenzierungsvorgänge in hES-Zellen beeinflussen, wurde bereits von anderen Forschergruppen unter Verwendung muriner ES-Zellen nachgewiesen und ist aus der Literatur bekannt.

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 Anwendung neuer miniaturisierter Zellkulturtechniken für die Optimierung von Kultivierungs- und Differenzierungsprotokollen von humanen ES-Zellen. Die spezifischen Bedingungen sowohl für die Kultivierung als auch für die kardiale und hepatische Differenzierung von humanen ES-Zellen unterscheiden sich aber aufgrund der biologischen Eigenschaften menschlicher Zellen teils erheblich von denen, die für embryonale Stammzellen anderer Spezies, insbesondere der Maus, angewandt werden müssen. Insofern können die in dem Vorhaben geplanten Untersuchungen nur unter Verwendung humaner embryonaler Stammzellen durchgeführt werden

Innerhalb des Vorhabens sollen auch sog. kleine Moleküle bezüglich ihrer Wirkung auf die Differen­zierung von hES-Zellen zu Kardiomyozyten und Hepatozyten untersucht werden. Es ist im Vorfeld der Untersuchung nicht bekannt, in welcher Phase der Differenzierung die zu untersuchenden Substanzen wirksam sind. So könnten sie bereits in frühen Phasen der kardialen oder hepatischen Differenzierung aktiv sein, die andere Stammzellen des Menschen, beispielsweise adulte Stammzellen, bereits durchlaufen haben. Auch aus diesem Grunde können für die hier zu klärende wissenschaftliche Fragestellung nur humane ES-Zellen verwendet werden; adulte gewebespezifische Stammzellen sind, selbst wenn sie in ausreichenden Mengen isoliert und kultiviert werden könnten, für die Klärung der formulierten wissenschaftlichen Fragestellung nicht geeignet.

Die Erreichung des Forschungsziels, die Optimierung der Kultur- und Differenzierungsbedingungen von hES-Zellen, ist derzeit auch unter Verwendung von humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPS-Zellen) anstelle von hES-Zellen nicht möglich. Zum einen existieren für die Kultivierung humaner induzierter pluripotenter Stammzellen keine allgemeinen Standards. Es ist bislang nicht geklärt, ob und wie sich spezifische Kultivierungsbedingungen auf die Eigenschaften von hiPS-Zellen auswirken, welche Veränderungen im Laufe der Kultivierung auftreten und ob diese mit den in hES-Zellen beobachteten identisch sind. Zum anderen ist das Differenzierungspotential von hiPS-Zellen zu hepatischen und kardialen Zellen bislang wenig erforscht. Zwar sollen im Rahmen der geplanten Arbeiten die neu entwickelten Zellkulturtechniken auf hiPS-Zellen angewandt werden, jedoch soll damit erst geklärt werden, ob und inwieweit hiPS-Zellen auch hinsichtlich der Bedingungen ihrer optimierten Kultivierung und der Möglichkeit ihrer Differenzierung in kardiale und hepatische Zellen mit hES-Zellen vergleichbar sind.

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