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Zielgruppeneinstiege

139. Genehmigung nach dem Stammzellgesetz

Erteilt am 09.10.2018

1. Genehmigungsinhaber(in)

Prof. Dr. Henrik Semb, Helmholtz Zentrum München

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)
  • H13 (WiCell Research Institute, Madison, WI, USA)
  • HES-1 (ES Cell International Pte Ltd, Singapur)
  • HES-2 (ES Cell International Pte Ltd, Singapur)
  • HUES2 (Harvard University, Cambridge, MA, USA)
  • HUES4 (Harvard University, Cambridge, MA, USA)
  • HUES6 (Harvard University, Cambridge, MA, USA)
  • HUES8 (Harvard University, Cambridge, MA, USA)
  • HS181 (Karolinska-Institut, Stockholm, Schweden
  • Shef-3 (University of Sheffield, Sheffield, Großbritannien)
  • Shef-6 (University of Sheffield, Sheffield, Großbritannien)

Die Genehmigung gilt 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

Hintergrund des Forschungsvorhabens sind erhebliche Fortschritte bei der Differenzierung humaner pluripotenter Stammzellen in Insulin-produzierende Beta-Zellen, die nunmehr die Durchführung klinischer Studien zur Behandlung des Diabetes mellitus Typ1 ermöglichen. Die beantragten Forschungsarbeiten sollen zum einen der Übertragung bislang entwickelter pankreatischer Differenzierungsprotokolle auf die qualitativen Erfordernisse klinischer Studien dienen. Zum anderen sollen experimentelle Vorgehensweisen entwickelt bzw. optimiert werden, um pankreatische Vorläuferzellen des Menschen in den für klinische Zwecke erforderlichen Mengen bereitzustellen und eine verstärkte Reifung aus pluripotenten Stammzellen gewonnener pankreatischer Vorläuferzellen zu induzieren. In einem ersten Teilprojekt soll ein zuvor entwickeltes Differenzierungsprotokoll auf die Bedingungen der guten Herstellungspraxis übertragen und die dabei gewonnenen pankreatischen Zellpopulationen bezüglich ihrer Zusammensetzung und ihrer Eigenschaften umfassend in vitro und in vivo (Mausmodell) charakterisiert werden. In einem zweiten Teilprojekt sollen dann Moleküle und Signalwege identifiziert werden, die die Proliferation pankreatischer Vorläuferzellen verstärken. Auf der Grundlage eigener Vorarbeiten sollen hierbei niedermolekulare Substanzen identifiziert werden, die die Expression der Gene für bestimmte Zellzyklus-Regulatoren vermindern bzw. die Aktivität der von den entsprechenden Genprodukten kontrollierten Signalwege modulieren. Auf diesem Wege soll die Vermehrung pankreatischer Vorläuferzellen verstärkt werden. Zudem sollen niedermolekulare Substanzen identifiziert werden, die zu einer erhöhten Aktivität von für pankreatische Zellen charakteristischen Genprodukten führen, und der Prozess der Vermehrung und Aufreinigung pankreatischer Vorläuferzellen soll nach Möglichkeit optimiert werden. In einem dritten Teilprojekt soll schließlich die Rolle des kortikalen Aktin-Netzwerkes auf die Reifung humaner pankreatischer Zellen vertiefend untersucht werden. Dazu sollen verschiedene Prozesse der Umorganisation des Aktin-Netzwerkes spezifisch gehemmt und der Einfluss auf die Reifung pankreatischer Beta-Zellen untersucht werden.

4. Hochrangigkeit der Forschungsziele

Die genehmigten Forschungsarbeiten unter Verwendung von hES-Zellen dienen hochrangigen Forschungszielen bei der Schaffung von Grundlagen für die Entwicklung neuer therapeutischer Verfahren beim Menschen. Sie können aber auch zu wesentlichen neuen Erkenntnissen  in der Grundlagenforschung beitragen.

Diabetes mellitus stellt ein schwerwiegendes medizinisches und gesundheitspolitisches Problem dar. Obgleich bei der Mehrzahl der Patienten mit Diabetis mellitus Typ1 (T1D) eine adäquate  Behandlung der Erkrankung durch Insulingabe möglich ist, gibt es derzeit keine Heilung. In Fällen, in denen eine Substitution durch Insulingabe nicht erfolgreich ist oder wenn sich bereits komplexe Sekundärfolgen (u. a. Neuropathien, Nephropathien, Gefäß- und Augenkrankheiten) eingestellt haben, ist die Pankreas-Transplantation bzw. die Transplantation von Inselzellen derzeit die einzige Therapieoption, deren Anwendung durch die nur begrenzte Verfügbarkeit gespendeter Organe/Gewebe stark begrenzt ist. Die Transplantation von in vitro aus humanen embryonalen Stammzellen hergestellten Insulin-produzierenden Beta-Zellen ist daher eine vielversprechende Therapieoption, die in den USA in mehreren klinischen Studien bereits erprobt wird. Die genehmigten Forschungsarbeiten zielen auf die Bereitstellung ausreichender Mengen transplantierbarer Beta-Zellen und darüber hinaus auf die Entwicklung von Verfahren für eine verbesserte Reifung der Beta-Zellen in vitro, wodurch die Voraussetzung für die Durchführung entsprechender klinischer Studien geschaffen werden sollen.

In einem ersten Teilprojekt soll ein vom Genehmigungsinhaber etabliertes Differenzierungsprotokoll für die Gewinnung funktionaler pankreatischer Beta-Zellen aus hES-Zellen auf die Bedingungen der guten Herstellungspraxis (good manufacturing practice, GMP) übertragen werden. Dazu sollen die zur Differenzierung benötigten Komponenten und Reagenzien durch GMP-Produkte ausgetauscht und die jeweiligen Auswirkungen auf die Kultivierung der hES-Zellen sowie auf deren Fähigkeit zur pankreatischen Differenzierung und auf die Eigenschaften der jeweils abgeleiteten Beta-Zellen umfassend untersucht werden.

Unter dem Aspekt, dass für die Zellersatztherapie eines Patienten ca. 300 bis 750 Millionen Zellen benötigt werden, sollen im zweiten Teilprojekt Verfahren zur Erhöhung der Ausbeute an transplantierbaren Zellen weiterentwickelt bzw. optimiert werden. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Gewinnung derart großer Zellmengen nicht in erster Linie durch die gerichtete Differenzierung entsprechend großer Mengen an hES-Zellen, sondern vielmehr durch die starke Verbreiterung bestimmter pankreatischer Vorläuferzell-Populationen erfolgen sollte. In diesem Zusammenhang sollen die Eigenschaften von bereits in der Vergangenheit identifizierten pankreatischen Vorläuferzellen vertieft analysiert, die an ihrer Proliferation beteiligten Moleküle und Signalwege identifiziert und auf dieser Grundlage verbesserte Verfahren für ihre Vermehrung in Kultur und für ihre Aufreinigung entwickelt werden. Dies soll auch die Erkenntnisse über die molekularen Prozesse erbringen, die für die Aufrechterhaltung und Verbreiterung dieser Vorläuferzell-Population bedeutsam sind. Dabei sollen auch niedermolekulare Substanzen identifiziert werden, die die Proliferation der aus hES-Zellen abgeleiteten pankreatischen Vorläuferzellen verstärken, wobei die molekularen Grundlagen der Wirkung dieser Substanzen (beispielsweise bei der Modulation der Aktivität von Signalübertragungswegen) ergründet werden soll. Die Arbeiten können eine wichtige Voraussetzung für die Bereitstellung ausreichender Mengen von Beta-Zellen für künftige regenerative Therapien des T1D darstellen und zudem zu einem verbesserten Verständnis der Entstehung pankreatischer Zellen im Menschen beitragen.

In einem dritten Teilprojekt sollen Verfahren entwickelt werden, mit denen die funktionale Reifung hES-Zell-abgeleiteter Beta-Zellen in vitro induziert bzw. beschleunigt werden kann. Dazu sollen Systeme für die Reifung von Beta-Zellen unter 3D-Bedingungen erprobt  und – auf eigenen Vorarbeiten aufbauend − die Rolle der Aktin-Polymerisation und der Zellpolarität auf die Reifung von Beta-Zellen weiter untersucht werden. Dabei soll auch überprüft werden, ob und inwieweit niedermolekulare Substanzen, die die Aktin-Polymerisation beeinflussen, die Reifung der Beta-Zellen fördern können. Die genehmigten Arbeiten können zu neuen Erkenntnisse über Moleküle, Signalwege und Prozesse führen, die die Beta-Zellreifung beim Menschen regulieren. Solche Erkenntnisse können dann Grundlage für die Weiterentwicklung und Optimierung entsprechender Differenzierungsprotokolle sein und Voraussetzungen dafür schaffen helfen, künftig reife und funktional aktive Beta-Zellen für therapeutische Zwecke bereitzustellen.

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 hinreichend vorgeklärt ist.

Die Eignung von aus hES-Zellen abgeleiteten pankreatischen Beta-Zellen zur erfolgreichen Behandlung eines im Tiermodell experimentell erzeugten Diabetes mellitus wurde in der Vergangenheit in einer Vielzahl von Studien belegt. Die Transplantation von Langerhansschen Inseln aus humanem Pankreas ist zudem eine seit langem etablierte Therapieoption für T1D, deren breite Anwendung vor allem durch den Mangel an Spendergewebe beschränkt wird. Verfahren zur Differenzierung von Beta-Zellen aus pluripotenten Stammzellen des Menschen sind in großem Umfang erprobt und von verschiedenen Gruppen in der wissenschaftlichen Literatur veröffentlicht worden. Der Genehmigungsinhaber selbst hat ein entsprechendes Protokoll entwickelt, wobei Glykoprotein 2 als ein Oberflächenmarker multipotenter pankreatischer entodermaler Zellen (pancreatic endodermal cells, PEC) identifiziert wurde, das als Marker bei der Anreicherung dieser pankreatischen Vorläuferzellen genutzt werden kann. PEC sind dann der Ausgangspunkt für die Herstellung pankreatischer Beta-Zellen. Dieses Verfahren soll nun weiterentwickelt und auf Bedingungen der guten Herstellungspraxis (GMP) übertragen werden. Die im zweiten Teilprojekt zu klärenden Forschungsfragen hinsichtlich verbesserter Bedingungen für die Gewinnung und Expansion von PEC in vitro sind ebenfalls durch eigene Vorarbeiten des Genehmigungsinhabers vorgeklärt. Es wurde gezeigt, dass sich PEC in vitro expandieren lassen und dass die Hemmung der Aktivität spezifischer Zellzyklusregulatoren die Replikationsfähigkeit der PEC erhöht. Die im dritten Teilprojekt zu untersuchenden Fragestellung nach Möglichkeiten der Beeinflussung der Beta-Zell-Reifung durch Modulation des Aktin-Netzwerkes und Regulation der Zellpolarität in sich differenzierenden pankreatischen Zellen ist umfassend, ebenfalls durch den Genehmigungsinhaber selbst, im sich entwickelnden Maus-Pankreas vorgeklärt worden. So wurde unter Identifizierung der beteiligten Signalübertragungswege gezeigt, dass die Differenzierung endokriner Zellen durch eine Verminderung der apikalen Domäne in den entsprechenden Vorläuferzellen gesteuert wird. Ferner wurde nachgewiesen, dass Veränderungen die Beta-Zell-Differenzierung in erheblichem Maße durch die Dynamik des Aktin-Netzwerkes und deren Regulation beeinflusst wird.

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

Ziel der genehmigten Forschungsarbeiten ist die Vorbereitung klinischer Studien zur Zellersatztherapie bei Diabetes mellitus, wobei insbesondere Verfahren für die Bereitstellung ausreichender Mengen von funktionalen pankreatischen Beta-Zellen in GMP-Qualität entwickelt werden sollen. Die Nutzung von Zellen aus anderen Spezies als dem Menschen kommt für Transplantationszwecke derzeit nicht in Frage; hierfür sind humane Zellen erforderlich. Fragen nach den molekularen Vorgängen, die bei der Weiterentwicklung von pankreatischen Vorläuferzellen in funktionale Beta-Zellen ablaufen, sind zwar in der Maus untersucht worden. Jedoch bestehen im Vergleich zum Menschen Unterschiede in den molekularen Grundlagen der Zelldifferenzierung und im Differenzierungspotential, und es ist gerade Anliegen der hier genehmigten Forschungsarbeiten, zu eruieren, ob und inwieweit die im sich entwickelnden Maus-Pankreas identifizierten Prozesse auch bei der Entwicklung menschlicher pankreatischer Beta-Zellen von Belang sind.

Hinweise darauf, dass adulte pankreatische Stammzellen des Menschen in Kultur vermehrt und zu Beta-Zellen differenziert werden könnten, liegen bislang nicht vor. Eine potentiell denkbare Nutzung von Stammzellen aus abgetriebenen Föten ist zum einen infolge von deren geringer Verfügbarkeit ausgeschlossen, da für die Zellersatztherapie des Diabetes mellitus große Zellzahlen in reproduzierbarer Qualität benötigt werden. Zum anderen sind Fragen nach den Eigenschaften und dem In-vitro-Differenzierungspotential fötaler pankreatischer Zellen des Menschen noch weitgehend ungeklärt. Primäre humane pankreatische Beta-Zellen sind nicht in der für die Projektdurchführung benötigten Menge verfügbar und können nach derzeitigem Kenntnisstand in vitro nicht zu den für die Projektdurchführung erforderlichen Zellmengen vermehrt werden. Zudem wären für klinische Zwecke Zellen aus mehreren Spendern erforderlich, was angesichts der variierenden und nicht reproduzierbaren Eigenschaften der jeweiligen Zellpräparation ggf. problematisch ist. Die genehmigten Forschungsarbeiten erfolgen gerade vor dem Hintergrund eines großen Mangels an Spenderorganen.

Die Erreichung der Forschungsziele ist nach derzeitigem Kenntnisstand auch nicht unter Verwendung von humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPS-Zellen) möglich. Zwar werden auch hiPS-Zellen zur Herstellung pankreatischer Beta-Zellen eingesetzt, jedoch haben hiPS-Zellen ein stark variierendes und deutlich geringeres pankreatisches Differenzierungspotential als hES-Zellen. Es ist ferner nicht ausreichend geklärt, welche Konsequenzen die in manchen Studien beobachteten genetischen Veränderungen infolge des Reprogrammierungsprozesses für das pankreatische Differenzierungspotential von hiPS-Zellen und für die Sicherheit des Zellproduktes haben. In einer der wenigen publizierten Studien, in denen sowohl hES- als auch hiPS-Zellen in funktionale Beta-Zellen differenziert wurden, wurde zudem ausdrücklich eine geringere Effizienz der pankreatischen Differenzierung festgestellt, wenn hiPS-Zellen verwendet wurden. Die hier genehmigten Arbeiten erfordern aber ein Ausgangsmaterial, das sich effizient und reproduzierbar in die für die weitere Verwendung erforderlichen pankreatischen Zellen differenzieren lässt. Dafür sind nach derzeitigem Kenntnisstand hES-Zellen am besten geeignet.

Stand: 09.10.2018

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