89. Genehmigung nach dem Stammzellgesetz

1. Genehmigungsinhaber

Herr Prof. Dr. Jürgen Hescheler, Institut für Neurophysiologie der Universität Köln

2. Zell-Linien

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

• H9 (WiCell Research Institute, Madison, WI, USA)
• 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

Im Rahmen der genehmigten Forschungsarbeiten soll ein zellbasiertes In-vitro-Testsystem zur Bestimmung von potentieller Kardiotoxizität etabliert werden. Dafür sollen zunächst hES-Zellen nach Standardprotokollen zu kardialen Zellen differenziert und die kardialen Zellen dann mit Substanzen bekannter kardialer Wirkung sowie mit Substanzen, die die mitochondriale ATP-Synthese hemmen, behandelt werden. Zur Bestimmung möglicher Endpunkte für kardiotoxische Wirkungen sollen dann vergleichende elektro­physiologische Untersuchungen, Impedanzmessungen sowie Analysen auf den Ebenen des Transkriptoms, des Proteoms, des Epigenoms und des Metaboloms durchgeführt werden. Ziel dieser Analysen ist es, durch die jeweiligen Substanzen verursachte Änderungen im Genexpressionsmuster und Epigenom der Zellen sowie in Signal- und Stoffwechselwegen als mögliche Biomarker für substanzvermittelte Kardiotoxizität zu ermitteln. Zudem soll überprüft werden, ob und inwieweit die Detektion zellulärer Proteine im Zellkulturüberstand  ein zuverlässiger Marker für die Bestimmung von Kardiotoxizität auf zellulärer Ebene ist. Die Entwicklung des Testsystems und die Untersuchungen sollen vergleichend zwischen hES-Zellen und humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPS-Zellen) durchgeführt werden. 

Die Forschungsarbeiten unter Verwendung von hES-Zellen sind mit den im Rahmen der 80. Genehmigung nach dem Stammzellgesetz zuvor genehmigten Forschungsarbeiten identisch.

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 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:

Das Vorhaben hat die Etablierung und Validierung eines auf humanen Zellen beruhenden, zellbasierten Systems zur Bestimmung potentieller toxischer Wirkungen von Substanzen auf kardiale Zellen zum Gegenstand.Die Entwicklung eines stabilen humanen Zellsystems zur Prüfung kardialer Nebenwirkungen und kardiotoxischer Wirkungen, beispielsweise von pharmakologisch wirksamen Substanzen, könnte bisherige zellbasierte Testsysteme, die vorrangig auf primären tierischen Zellen beruhen, ersetzen und die Aussagekraft entsprechender Test für den Menschen deutlich erhöhen.

Es ist vorgesehen, an aus hES-Zellen abgeleiteten Kardiomyozyten Substanzen mit gut dokumentierter kardialer Wirkung, die beispielsweise als Zytostatika in der Tumortherapie eingesetzt werden und teils schwere kardiale Nebenwirkungen haben können, zu testen. Da diese Substanzen auch die Erhöhung der intrazellulären Sauerstoffspezies (ROS) bewirken, die die mitochondriale ATP-Synthese negativ beeinflussen, sollen weitere Substanzen, die die ATP-Synthese in Mitochondrien bekanntermaßen hemmen, ebenfalls hinsichtlich ihrer Wirkungen auf humane kardiale Zellen untersucht werden. Die Ergebnisse aus den funktionellen und elektrophysiologischen Untersuchungen sowie aus geplanten umfangreichen Analysen unter Einsatz von -omics-Technologien werden aller Voraussicht nach zu einem besseren Verständnis darüber beitragen, welche physiologischen und epigenetischen Prozesse, Signaltransduktionswege und Stoffwechselwege infolge einer einmaligen oder mehrmaligen Einwirkung kardiotoxisch wirksamer Substanzen auf humane kardiale Zellen aktiviert bzw. gehemmt werden. Hierbei können Informationen über die Wirkungsweise solcher Substanzen auf molekularer Ebene gewonnen werden. Auf dieser Grundlage können dann ggf. neue Endpunkte für die Bestimmung von Kardiotoxizität etabliert werden, was künftig zur Entwicklung verbesserter Methoden zur bereits frühen Detektion von kardialen (Neben)Wirkungen, beispielsweise von Arzneimittelkandidaten, auf zellulärer Ebene beitragen könnte. Die geplante parallele Untersuchung von aus hES- und hiPS-Zellen abgeleiteten Kardiomyozyten bezüglich der Wirkung kardiotoxischer Substanzen auf molekularer Ebene kann darüber hinaus einen Erkenntnisgewinn über Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen aus beiden Zelltypen gewonnenen kardialen Zellen erbringen. 

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.

In der Literatur existieren bereits zahlreiche Arbeiten zur Verwendung von aus murinen und humanen ES-Zellen abgeleiteten Zellen zur Bestimmung kardialer Nebenwirkungen von Substanzen, beispielsweise auf die elektrophysiologischen Eigenschaften von Herzzellen. Es wurde ferner dargelegt, dass der sogenannte embryonale Stammzelltest (EST), bei dem die entwicklungstoxische Wirkung von Substanzen unter Verwendung von aus murinen ES-Zellen abgeleiteten (frühen) kardialen Zellen erfolgt, bereits gut etabliert ist und breite Anwendung findet. Darüber hinaus konnte im Rahmen eines weiteren in der Vergangenheit genehmigten Forschungsvorhabens, an dem der Genehmigungsinhaber beteiligt ist (31. Genehmigung nach dem Stammzellgesetz), an einem auf hES-Zellen basierenden zellulären Embryotoxizitätsmodell gezeigt werden, dass die Einwirkung von Thalidomid auf sich differenzierende hES-Zellen zu deutlichen Veränderungen auf den Ebenen des humanen Transkriptoms und Proteoms führt. Im Rahmen der nun genehmigten Forschungsarbeiten soll überprüft werden, ob und inwieweit neue Endpunkte für eine ggf. humanspezifische Kardiotoxizität an aus hES-Zellen differenzierten Kardiomyozyten bestimmt und reproduzierbar zur Detektion von Kardiotoxizität genutzt werden können.

Die zur Anwendung kommende Methodik (kardiale Differenzierung von hES-Zellen, Impedanzmessungen zur Bestimmung von Vitalität, Verfahren zur Bestimmung von elektrophysiologischen Eigenschaften, -omics-Technologien etc.) sind im Labor des Antragstellers etabliert und wurden, wie im Antragsverfahren ebenfalls dargelegt wurde, bereits zur Klärung von Fragestellungen an aus hiPS-Zellen abgeleiteten Kardiomyozyten verwendet.

Im Rahmen eines zuvor genehmigten Forschungsvorhabens (42. Genehmigung nach dem Stammzellgesetz) wurde dem Genehmigungsinhaber bereits die Genehmigung für die Differenzierung von Kardiomyozyten aus hES-Zellen und für deren umfangreiche Charakterisierung erteilt. Eine Vorklärung des Forschungsvorhabens hinsichtlich der Möglichkeit zur Differenzierung kardialer Zellen aus hES-Zellen ist nicht erforderlich.

Im Antragsverfahren wurde ferner dargelegt, dass der mit dem Forschungsvorhaben angestrebte Erkenntnisgewinn nach derzeitigem wissenschaftlichen Erkenntnisstand die Verwendung von hES-Zellen erfordert.

Die genehmigten Forschungsarbeiten dienen der Entwicklung eines neuartigen In-vitro-Testsystems zur Überprüfung potentieller kardialer (Neben)Wirkungen und möglicher kardiotoxischer Effekte von Substanzen, beispielsweise von Arzneimitteln oder Arzneimittelkandidaten, beim Menschen. Dies erfordert die Verwendung von menschlichen Zellen. Auf tierischen ES-Zellen beruhende Testsysteme sind  nicht oder nur eingeschränkt geeignet, um für den Menschen relevante Aussagen über die kardialen (Neben)Wirkungen von Substanzen treffen zu können, da speziesspezifische Unterschiede sowohl hinsichtlich der kardialen Differenzierung als auch bezüg­lich der physiologischen Eigenschaften des Herzens bestehen und es hinlänglich bekannt ist, dass sich das Verhalten von humanen und tierischen (z.B. murinen) Zellen gegenüber einem Wirkstoff ggf. unterscheiden kann.

Nach derzeitigem Kenntnisstand ist nicht davon auszugehen, dass die Forschungsziele unter Verwendung anderer menschlicher Zellen als humaner ES-Zellen erreichbar sind. Humane adulte Stammzellen (beispielsweise aus dem Knochenmark) sind für das Forschungsvorhaben nicht geeignet, da sie – wenn überhaupt – ein nur eingeschränktes kardiales Differenzierungsvermögen aufweisen. Kardiale Vorläuferzellen des Menschen lassen sich nach gegenwärtigem Kenntnisstand nur in sehr geringer Menge und nicht reproduzierbar in der für die Projektdurchführung erforderlichen Qualität gewinnen und sind in Kultur nicht zu den für die Projektdurchführung notwendigen Zellmengen expandierbar.

Im Antragsverfahren wurde ferner dargelegt, dass nach aktuellem Kenntnisstand nicht davon ausgegangen werden kann, dass die Erreichung der Forschungsziele unter alleiniger Nutzung von hiPS-Zellen möglich ist. Es bestehen teils erhebliche zellbiologische Unterschiede zwischen hiPS- und hES-Zellen, die auf unvollständiger Reprogrammierung und auf in den somatischen Ursprungszellen der hiPS-Zellen vorhandenen bzw. im Reprogrammierungs­prozess erworbenen Mutationen beruhen können. Ferner bestehen zahlreiche offene Fragen zu Unterschieden im Epigenom beider pluripotenter Zelltypen und zum Einfluss des „epigenetischen Gedächtnisses“ von hiPS-Zellen auf ihr Differenzierungsvermögen hin. Zudem sollen aus hES-Zellen differenzierte kardiale Zellen auch als Referenzmaterial für Untersuchungen zu toxischen Wirkungen der Referenzsubstanzen auf aus hiPS-Zellen gewonnene kardiale Zellen verwendet werden, was den Einsatz von hES-Zellen notwendig macht.

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