119. Genehmigung nach dem Stammzellgesetz

1. Genehmigungsinhaber(in)

Max-Planck-Gesellschaft (Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin, Münster)

2. Zell-Linien

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

• H1 (WiCell Research Institute, Madison, WI, USA)
• H7 (WiCell Research Institute, Madison, WI, USA)
• H9 (WiCell Research Institute, Madison, WI, USA)
• HUES 2 (Harvard University, Cambridge, MA, USA)
• HUES 6 (Harvard University, Cambridge, MA, USA)
• NCL-3 (Newcastle Fertility Centre, Newcastle upon Tyne, Großbritannien)
• NCL-4 (Newcastle Fertility Centre, Newcastle upon Tyne, Großbritannien)
• Shef 3 (University Sheffield, Sheffield, Großbritannien)

Die Genehmigung gilt jeweils auch für die Verwendung von Sub-Linien (z.B. von klonalen Sub-Linien oder genetisch modifizierten Derivaten) der genannten humanen embryonalen Stammzell-Linien.

3. Angaben zum Forschungsvorhaben

Die genehmigten Forschungsarbeiten unter Verwendung humaner embryonaler Stammzellen (hES-Zellen) zielen auf die Klärung der Frage, ob somatische Zellen des Menschen im Rahmen eines dreidimensionalen Gewebeverbandes zu anderen Zelltypen transdifferenziert werden können, ohne dass dieser Prozess über ein pluripotentes Zellstadium verläuft. Zu diesem Zweck soll zunächst die Herstellung von Gehirn-Organoiden aus hES-Zellen optimiert werden, insbesondere mit Blick auf die Präsenz bestimmter neuraler Zelltypen im Organoid. Anschließend sollen in diesen Organoiden – durch viralen Transfer von Genen für Reprogrammierungsfaktoren – bestimmte nicht-neuronale Zellen, die in den Gehirn-Organoiden anzutreffen sind, zu sog. Master-Zellen reprogrammiert werden. Diese Master-Zellen wurden erst kürzlich beschrieben und stellen offenbar ein Intermediat zwischen pluripotenten Stammzellen und neuralen Vorläuferzellen dar. Es wird erwartet, dass sie sich in der Nische des Gehirn-Organoids spontan zu neuralen Vorläuferzellen weiterentwickeln können, wodurch de facto eine Transdifferenzierung der o. g. nicht-neuronalen Zellen in neurale Vorläuferzellen erreicht werden soll. Neben Reprogrammierung mittels viralen Transfers von Genen für Reprogrammierungsfaktoren soll (ggf. im Hochdurchsatzverfahren) auch getestet werden, ob und inwieweit die angestrebte Transdifferenzierung durch Zusatz sog. kleiner Moleküle (small molecules) erreicht werden kann. Die Eigenschaften (z. B. Transkriptom, Differenzierungspotential etc.) der durch diese partielle Reprogrammierung/Differenzierung im Organoid erzeugten Vorläuferzellen sowie die Charakteristika ihrer differenzierten Derivate sollen eingehend untersucht werden. Schließlich soll untersucht werden, ob sich hES-Zellen und humane induzierte pluripotente Stammzellen (hiPS-Zellen) in gleicher Weise für die Herstellung von Gehirn-Organoiden sowie für die Untersuchung der weiteren Fragestellungen des Forschungsprojektes eignen.

4. Hochrangigkeit der Forschungsziele

Entsprechend der im Antragsverfahren erbrachten wissenschaftlich begründeten Darlegung dienen die genehmigten Forschungsarbeiten unter Verwendung von hES-Zellen nach übereinstimmender Auffassung der Zentralen Ethik-Kommission für Stammzellenforschung (ZES) und des Robert Koch-Institutes (RKI) hochrangigen Forschungszielen in der Grundlagenforschung, die ggf. auch für die Entwicklung neuer therapeutischer Verfahren zur Anwendung beim Menschen von Relevanz sein können. Für diese Beurteilung sind folgende Gründe maßgeblich:

Angestrebt wird zunächst die Klärung der Frage, ob und auf welchem Wege eine partielle Reprogrammierung neuraler Zellen im Kontext eines dreidimensionalen Gewebeverbandes erreicht werden kann. Erstes Projektziel ist dabei die Optimierung der Herstellung von Gehirn-Organoiden (insbesondere zerebraler Organoide) aus hES-Zellen. In diesem Zusammenhang sollen Wege gefunden werden, die zelluläre Zusammensetzung der Organoide so zu modulieren, dass  bestimmte Typen von Zellen, die in Gehirn-Organoiden anzutreffen sind,  ggf. in höherem Maße als nach spontaner Differenzierung gebildet werden. Dabei sollen u. a. der Einfluss kleiner Moleküle auf die Organoidbildung untersucht und nach Möglichkeit kleine Moleküle identifiziert werden, deren Präsenz die Zusammensetzung der Gehirn-Organoide beeinflussen kann. Diese Arbeiten können u. a. dazu beitragen, verbesserte Vorgehensweisen für die Bildung humaner Gehirn-Organoide zu etablieren, was angesichts des großen Potentials solcher Organoide für die Erforschung biologisch relevanter Prozesse, für die Etablierung humaner Krankheitsmodelle, für die pharmazeutische Forschung sowie für toxikologische Sicherheitsprüfungen von großem Belang ist. Zum anderen kann die erhoffte Identifizierung kleiner Moleküle, die einen Einfluss auf die Bildung spezifischer Typen von Neuronen haben, zur Aufklärung von Signalwegen beitragen, die in die Entstehung der entsprechenden Neurone involviert sind, wodurch ggf. auch ein verbessertes Verständnis der menschlichen Gehirnentwicklung erlangt werden kann.

Im weiteren soll untersucht werden, ob und inwieweit sich Zellen im Kontext einer zur In-vivo-Situation vergleichbaren (neuralen) Nische partiell zu sog. Master-Zellen reprogrammieren lassen. Grundlage hierfür ist die zuvor gemachte Entdeckung, dass die gezielte Veränderung von Reprogrammierungsfaktoren zu einer nur partiellen Reprogrammierung führen kann. Der entstehende (multipotente) intermediäre Master-Zelltyp ist nicht pluripotent, kann sich jedoch in einer entsprechenden Gewebsnische offenbar zu verschiedenen Zelltypen des betreffenden Gewebes entwickeln. Es wird davon ausgegangen, dass sich die Master-Zellen im Kontext einer neuralen Nische, wie sie in den hES-Zell-abgeleiteten Organoiden vorliegt, spontan zu neuralen Vorläuferzellen weiterentwickeln und dadurch  - quasi durch eine Transdifferenzierung - zur Geweberegeneration beitragen können. Neben dem proof of concept für dieses Vorgehen sollen nach Möglichkeit weitere Faktoren (Transkriptionsfaktoren, kleine Moleküle) identifiziert werden, die eine verbesserte Transdifferenzierung bewirken. Insbesondere die Identifizierung kleiner Moleküle und neuer Transkriptionsfaktoren mit Relevanz für die (partielle) Reprogrammierung von bestimmten nicht-neuronalen Zellen in Gehirn-Organoiden kann Grundlage für neue Erkenntnisse über Moleküle und Signalwege (und damit letztendlich über molekulare Mechanismen) sein, die bei der Reprogrammierung somatischer Zellen in einer der In-vivo-Situation nahekommenden Nische eine Rolle spielen. Auf diesem Wege können Erkenntnisse über die Bedingungen erlangt werden, unter denen Prozesse der stammzellabhängigen Geweberegeneration in menschlichem neuralen Gewebe ablaufen.

Im Ergebnis der Forschungsarbeiten sollen experimentelle Vorgehensweisen verfügbar werden, mittels derer die für die Regeneration eines Gewebes erforderlichen somatischen Stammzellen, deren Anzahl im erkrankten oder alternden Gewebe vermindert ist, aus im jeweiligen Gewebe vorhandenen (hier: neuralen) somatischen Zellen wiederhergestellt werden können. Langfristig zielt das Forschungsvorhaben somit auf die Schaffung von Grundlagen für neuartige therapeutische Verfahren, die letztlich auf einer In-vivo-Transdifferenzierung basieren und nicht von pluripotenten Stammzellen abhängig sind.

Schließlich soll im Rahmen der beantragten Forschungsarbeiten das Potential von hES- und hiPS-Zellen verglichen werden, sich zu Gehirn-Organoiden zu entwickeln. Diese Frage ist bislang nicht systematisch untersucht worden, ist aber von erheblicher Bedeutung für die Einschätzung der Nutzbarkeit von hiPS-Zellen zur Erzeugung von Gehirn-Organoiden. Erkenntnisse über ein ggf. unterschiedliches Potential von  hES- und hiPS-Zellen zur Organoidbildung und über dessen Ursachen wären vor allem hinsichtlich der Möglichkeit, auf Grundlage von krankheitsspezifischen hiPS-Zell-abgelieteten Organoiden In-vitro-Modelle für neuronale und psychiatrische Erkrankungen zu etablieren, von erheblicher Bedeutung.

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 ist.

Die Herstellung insbesondere zerebraler Organoide aus hES-Zellen ist bereits vor einigen Jahren in der Literatur beschrieben worden, und derartige Organoide wurden seither zur Untersuchung verschiedener Fragestellungen eingesetzt, beispielsweise zur Analyse epigenetischer und struktureller Veränderungen bei der Gehirnentwicklung, zur Untersuchung der Rolle spezifischer Transkriptionsfaktoren bei der Entwicklung des humanen Cortex und zur Bestimmung der Folgen einer Infektion mit Zika-Virus sowie der Mechanismus der Cocain-Wirkung auf die fötale Gehirnentwicklung. Darüber hinaus wurden kürzlich Daten veröffentlicht, die die Überlegenheit von neuralen 3D-Modellen gegenüber zweidimensionalen neuralen Zellkulturen hinsichtlich der Reifung der Neurone und ihrer Neurotransmitterausstattung belegen. Im Antragsverfahren wurde zudem das Verfahren zur Herstellung von Master-Zellen im murinen System hinlänglich beschrieben. Die Master-Zellen konnten für viele Passagen in Kultur gehalten werden, waren bezüglich ihres Karyotyps stabil und hatten das Potential, in verschiedene Zelltypen zu differenzieren. Zudem waren die Zellen nach Injektion in immunsupprimierte Mäuse nicht in der Lage, Teratome zu bilden. Dies bestätigt die Hypothese, dass die multipotenten Master-Zellen einen intermediären Zelltyp darstellen, der sich in einer geeigneten Nische in verschiedene, wenn nicht alle Zelltypen des entsprechenden Gewebes differenzieren lässt und folglich ein geeigneter Ausgangspunkt für die In-vivo-Regeneration degenerativen Gewebes sein kann.

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

Die Erreichung der Forschungsziele erfordert die Verwendung menschlicher Zellen. Zwar lassen sich auch auf murinen ES-Zellen basierende Gehirn-Organoide herstellen; jedoch weisen diese Zellmodelle auf genetischer, neurobiologischer sowie zellphysiologischer Ebene maßgebliche Unterschiede zu humanen Organoiden auf, da sich die Gehirnentwicklung bei Nagern und Menschen erheblich unterscheidet. Ferner ist die Nutzung humaner pluripotenter Stammzellen erforderlich. Primäres menschliches Hirngewebe (beispielsweise aus Autopsien) steht in der für die Klärung der Forschungsfragen benötigten Menge nicht reproduzierbar zur Verfügung. Dies ist aber Voraussetzung, um beispielsweise im Hochdurchsatzverfahren Substanzen identifizieren zu können, die eine Dedifferenzierung von bestimmten nicht-neuronalen Zellen im Gewebeverband modulieren können. Primäres Hirngewebe aus abgetrieben Föten ist lediglich sporadisch, nicht in den hier erforderlichen Mengen und nicht in ausreichend reproduzierbarer Qualität verfügbar; Eignung fötaler Stammzellen für die Erzeugung von Gehirn-Organoiden in jener Qualität, wie sie aus pluripotenten Stammzellen abgeleitet werden können, ist zudem nicht belegt. Ebensowenig können humane  adulte neurale Stammzellen oder immortalisierte neurale oder neuronale Zell-Linien zur Erreichung der Forschungsziele verwendet werden; die Etablierung der benötigten Gehirn-Organoide aus diesen Zelltypen ist für keine dieser Zellarten bislang beschrieben worden.

Auch durch eine alleinige Nutzung von hiPS-Zellen lassen sich die Forschungsziele nach gegenwärtigem Kenntnisstand voraussichtlich nicht erreichen. hES-Zellen wurden in der Vergangenheit sehr erfolgreich für die Etablierung sowohl von humanen zerebralen als auch von Mittelhirn-Organoiden verwendet. Entsprechend den Darlegungen im Antragsverfahren sind hiPS-Zellen hingegen nur teilweise in der Lage, Gehirn-Organoide zu bilden. Eine gute Reproduzierbarkeit bei der Gewinnung der Gehirn-Organoide ist aber für die Erreichung der Forschungsziele unerlässlich. hiPS-Zellen haben je nach ihrem Ursprung zudem einen unbestimmten genetischen Hintergrund und weisen aus diesem Grunde eine erhebliche Variabilität auf. Diese kann durch den jeweils unterschiedlichen genetischen Hintergrund oder das Alter des Spenders, durch den für die Reprogrammierung benutzten Zelltyp oder durch die für die Reprogrammierung gewählte Methode bedingt sein. Ferner können hiPS- reprogrammierungsbedingte genetische und epigenetische Anomalitäten aufweisen: sowohl über epigenetische Unterschiede zwischen hiPS- und hES-Zellen als auch über reprogrammierungsbedingte De-novo-Mutagenese in hiPS-Zellen wurde mehrfach berichtet. hES-Zellen sind außerdem zu Vergleichszwecken erforderlich, um zu untersuchen, ob und inwieweit sich aus hiPS-Zellen abgeleitete Gehirn-Organoide in gleicher Weise wie hES-Zellen als Ausgangspunkt für eine experimentelle Plattform für die direkte Reprogrammierung von Gewebezellen in somatische Vorläuferzellen eignen.

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