54. Genehmigung nach dem Stammzellgesetz

1. Genehmigungsinhaber(in)

Herr Dr. Dr. Tomo Šarić, Institut für Neurophysiologie der Universität Köln.

2. Zell-Linien

Die genehmigten Forschungsarbeiten erfolgen unter Verwendung der folgenden humanen embryonalen Stammzell-Linien:

• H1 (Wicell Research Institute, Madison, WI, USA)
• H9 (Wicell Research Institute, Madison, WI, USA)
• HES-1 (ES Cell International Pte Ltd, Singapur)
• HES-2 (ES Cell International Pte Ltd, Singapur)
• HUES1 (Harvard University, Cambridge, MA, USA)
• HUES2 (Harvard University, Cambridge, MA, USA)
• HUES6 (Harvard University, Cambridge, MA, USA)
• HUES8 (Harvard University, Cambridge, MA, USA)
• SA001 (Cellartis AB, Göteburg, Schweden)
• SA002 (Cellartis AB, Göteburg, Schweden)

Die Genehmigung gilt 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 Forschungsarbeiten ist die Untersuchung von Vorgängen, die sich auf zellulärer Ebene bei der Alterung (Seneszenz) von humanen Zellen abspielen. Untersuchungsgegenstand sind dabei vor allem mesenchymale Stammzellen (MSCs), die in Kultur bereits nach wenigen Passagen Anzeichen replikativer Seneszenz zeigen. Humane embryonale Stammzellen (hES-Zellen) sollen, da sie nicht der replikativen Seneszenz unterliegen, im gesamten Projekt als nicht-seneszenter Zelltyp zu Kontrollzwecken verwendet werden. Im Mittelpunkt der geplanten Untersuchungen steht die Identifizierung von Faktoren und Signalwegen, die bei der Alterung von MSCs von Bedeutung sind. Dazu sollen MSCs geringer und hoher Passagenzahl vor allem in Hinblick auf ihre Genexpressionsprofile auf den Ebenen der mRNAs und micro-RNAs sowie bezüglich der Muster der DNA-Methylierung verglichen werden. Ferner sollen die molekularen Profile der Zellen nach experimenteller Induktion von Seneszenz bzw. Immortalisierung durch Überexpression des Gens für Telomerase analysiert werden. Gene, deren Produkte vermutlich an der zellulären Seneszenz beteiligt sind, sowie micro-RNAs, die bei der Alterung von Zellen potentiell eine Rolle spielen, sollen in nicht-seneszente Zellen eingebracht und hinsichtlich ihrer Wirkungen analysiert werden. Die Vorgänge der Zellalterung sollen auch an aus MSCs hergestellten humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPS-Zellen) untersucht werden. Zur Klärung der Frage, ob die aus MSCs gewonnenen hiPS-Zellen für pluripotente Stammzellen typische Eigenschaften aufweisen, sollen hES-Zellen ebenfalls zu Vergleichszwecken verwendet 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:

Bislang ist nicht geklärt, ob die Zellalterung eine Folge der Akkumulation zellulärer Defekte oder eines altersabhängigen epigenetischen Programms ist. Im Vorhaben sollen vor allem epigenetische Veränderungen untersucht werden, die während der Langzeitkultivierung von MSCs, infolge von DNA-Schädigung durch Gamma-Strahlung oder durch Überexpression des Gens für Telomerase und der damit möglichen Immortalisierung der Zelle auftreten. Dadurch soll geklärt werden, ob replikative Seneszenz, die durch Langzeitkultivierung bzw. durch Bestrahlung hevorgerufen wird, nach denselben molekularen Mustern abläuft und ob die durch erhöhte Telomerase-Aktivität erreichbare Verzögerung von replikativer Seneszenz die Folge der Reversion der entsprechenden molekularen Prozesse ist. Die geplanten Untersuchungen sollen das Verständnis von den Prozessen der Zellalterung in MSCs vertiefen und Erkenntnisse darüber ermöglichen, welche Moleküle und Signalwege an diesem Prozess beteiligt sind. Durch Untersuchung der für die Alterung von MSCs relevanten Moleküle und Signalwege in hES-Zellen kann sich aus dem Projekt auch ein Erkenntnisgewinn darüber ergeben, wie Seneszenz in pluripotenten Stammzellen verhindert wird. Dies kann zu einem vertieften Verständnis von den molekularen Grundlagen von Pluripotenz beitragen. Erweiterte Kenntnisse über die molekularen Ursachen der Zellalterung in vitro können überdies dazu beitragen, verbesserte Kultivierungsverfahren für MSCs und gegebenenfalls für weitere Typen somatischer Stammzellen zu entwickeln, was eine Passagierung dieser Zellen über längere Zeiträume als bislang ermöglichen könnte. Dies ist angesichts des teils breiten therapeutischen Potentials solcher Zellen von erheblicher Relevanz.

Weiterer Gegenstand des Projektes ist die Klärung der Frage, ob und auf welche Weise die Induktion von Pluripotenz in seneszenten MSCs zur Modifikation der Expression bzw. des epigenetischen Status von Genen führt, deren Produkte mit der Zellalterung in Zusammenhang stehen. Dazu werden hiPS-Zellen durch Reprogrammierung aus verschieden lang kultivierten MSCs gewonnen, wobei hES-Zellen als Standard für die Charakterisierung der aus MSCs hergestellten iPS-Zellen dienen. Es wird erwartet, dass die mit der Zellalterung in Zusammenhang stehenden Veränderungen im Epigenom und im Expressionsprofil von MSCs infolge der Reprogrammierung zu hiPS-Zellen erneut wesentlichen Veränderungen unterliegen. Aus den Untersuchungen können sich neue Erkenntnisse darüber ergeben, ob hES-Zellen und hiPS-Zellen die Zellalterung auf die gleiche Weise umgehen oder ob verschiedene zelluläre Signalwege beteiligt sind. Bei erfolgreicher Durchführung des Projektes können gegebenenfalls auch Grundlagen für die Entwicklung verbesserter Methoden für die Reprogrammierung geschaffen werden. So ist bekannt, dass zelluläre Seneszenz die Reprogrammierung somatischer Zellen stark beeinträchtig. Die gezielte Modulation der Expression von mit Seneszenz assoziierten Genen im Vorfeld der Reprogrammierung (beispielsweise durch sog. kleine Moleküle) könnte beispielsweise zu einer Erhöhung der Effizienz der Reprogrammierung führen.

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.

Bereits in der Vergangenheit sind umfangreiche Untersuchungen zu Vorgängen der replikativen Seneszenz in humanen MSCs erfolgt. Dies betrifft sowohl vergleichende Untersuchungen zu altersabhängigen Veränderungen im Transkriptom von MSCs aus jungen und älteren Personen als auch Arbeiten zur Frage des Einflusses spezifischer micro-RNAs auf Vorgänge der Alterung von MSCs. Auch Untersuchungen zur DNA-Methylierung von MSCs nach Langzeitkultivierung bzw. MSCs aus jüngeren und älteren Probanden liegen vor. Diese Untersuchungen sollen im beantragten Projekt vertieft und insbesondere mit Blick auf weitere epigenetische Veränderungen bei der Zellalterung ausgedehnt werden, wobei hES-Zellen als Modell für einen nicht-seneszenten Zelltyp zu Vergleichszwecken diesen sollen.

Weitere Voruntersuchungen zu den Mechanismen der Seneszenz sowie daran beteiligter Moleküle und Signalwege unter Nutzung anderer als humaner Zellen und im Vergleich mit nicht-humanen embryonalen Stammzellen sind aufgrund der ausgeprägten spezies-spezifischen Charakteristika der Zellalterung voraussichtlich nicht geeignet, zur Vorklärung der spezifischen Fragestellungen des Projektes beizutragen, nämlich die Grundlagen von Alterungsprozesse in menschlichen MSCs aufzuklären. So ist seit längerem bekannt, dass dem Prozess der Zellalterung in verschiedenen Säugerspezies jeweils verschiedene Mechanismen zu Grunde liegen. Dies betrifft beispielsweise die Rolle von Teleomerase oder von reaktivem Sauerstoff.

Die im Projekt zum Einsatz kommenden Methoden und Vorgehensweisen sind im Labor des Antragstellers bzw. seiner Kooperationspartner etabliert. hiPS-Zellen aus humanen MSCs sind in der Vergangenheit ebenfalls hergestellt worden; allerdings wurde im Zusammenhang mit diesen Studien die hier interessierende Frage des Einflusses der Kultivierungsdauer bzw. des Alters des Zellspenders nicht untersucht.

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

Die Verwendung von hES-Zellen erfolgt im genehmigten Projekt einerseits, um bei der Reprogrammierung von MSCs zu hiPS-Zellen abschätzen und bewerten zu können, ob und inwieweit es sich bei den aus MSCs gewonnenen hiPS-Zellen um pluripotente Stammzellen handelt. Dazu sind originäre humane pluripotente Zellen zu Vergleichszwecken erforderlich. Dies sind nach derzeitigem Kenntnisstand aber nur hES-Zellen.

Andererseits dienen hES-Zellen als Zellmodell für einen nicht-seneszenten Zelltyp. In embryonalen Stammzellen sind Gene mit Relevanz für Alterungsvorgänge hinsichtlich ihrer Expression und ihres epigenetischen Status in einem Zustand, der die replikative Seneszenz unterdrückt. Aufgrund der bereits oben genannten speziesspezifischen Unterschiede, die innerhalb der Säugetiere bei der Zellalterung bestehen, können keine Zellen aus anderen Spezies, insbesondere der Maus, für Vergleichszwecke genutzt werden. Auch hiPS-Zellen, die im genehmigten Projekt erst im Hinblick auf Prozesse der Zellalterung untersucht werden sollen, sind für die vorgesehenen Vergleichszwecke nicht geeignet. Die Frage, ob und in welchem Umfang diese Zellen pluripotenten Zellen in Hinblick auf die Zellalterung gleichen, soll hier erst geklärt werden.

Andere menschliche Zelltypen, die auch bei Langzeitkultivierung keine Anzeichen von Seneszenz zeigen, beispielsweise Tumorzellen oder experimentell immortalisierte Zell-Linien, haben in der Regel eine Reihe genetischer und epigenetischer Veränderungen durchlaufen und sind daher für Untersuchungen, in denen ursprünglich nicht-seneszente Zellen für Vergleichszwecke benötigt werden, ebenfalls ungeeignet.

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