172. Genehmigung nach dem Stammzellgesetz

1. Genehmigungsinhaber

Helmholtz-Zentrum München GmbH

2. Zell-Linien

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

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

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

3. Angaben zum Forschungsvorhaben

Vor dem Hintergrund, dass die Transprogrammierung von glialen Zellen in funktionale Neurone eine künftige Option für die Therapie neurodegenerativer Erkrankungen darstellen könnte, sollen im Rahmen der genehmigten Forschungsarbeiten die molekularen Grundlagen von neuralen Transprogrammierungsprozessen im Menschen erforscht und für die humanen neuronalen Zellidentitäten kritische Faktoren bestimmt werden. Hierfür werden humane embryonale Stammzellen (hES-Zellen), die im Ausland bereits umfangreich genetisch modifiziert wurden, zunächst zu Astrozyten differenziert. Gene in den aus hES-Zellen abgeleiteten Astrozyten sollen dann aktiviert und mögliche Veränderungen der glialen Zellidentität in Richtung einer neuronalen Zellidentität bestimmt werden. Dieser Ansatz soll auch auf aus hES-Zellen gewonnene Neurone verschiedener Spezifität und auf neurale Organoide ausgedehnt werden, um unter anderem Gene/Faktoren zu ermitteln, die für die zelluläre Identität verschiedener neuronaler Subtypen bestimmend sind. Ferner soll getestet werden, ob durch Induktion der Expression bestimmter Gene die gliale Identität von Astrozyten stabilisiert, die Eigenschaften von Neuronen in Richtung einer stärker glialen Identität verändert und die Transprogrammierung von Astrozyten zu Neuronen gehemmt werden kann. Schließlich sollen genomweite Ansätze zur Identifizierung von Faktoren zum Einsatz kommen, die die neuronale Transprogrammierung auslösend, begünstigen oder hemmen.

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) in erster Linie der Erreichung hochrangiger Forschungsziele in der Grundlagenforschung, können aber auch zur Schaffung von Grundlagen für neue therapeutische Verfahren zur Anwendung bei Menschen beitragen. Für diese Beurteilung sind folgende Gründe maßgeblich:

Ziel des Vorhabens ist die Identifizierung bzw. Verifizierung von Faktoren und Mechanismen, die die Identität spezifischer neuronaler und glialer Zellen des Menschen bestimmen. Die genaue Kenntnis über die Gene, deren Produkte zur Schaffung einer neuronalen Identität beitragen, über die an diesen Prozessen beteiligten Transkriptionsnetzwerke und über involvierte weitere Mechanismen sollen Grundlage für eine künftige direkte In-vivo-Transprogrammierung von Astrozyten in bestimmte ZNS-Neuronen des Menschen sein, was zur Therapie neurodegenerativer Erkrankungen genutzt werden könnte.

Im Rahmen der genehmigten Forschungsarbeiten sollen im wesentlichen drei Fragen geklärt werden. Erstens soll überprüft werden, ob aus hES-Zellen abgeleitete Astrozyten durch die gezielte Anschaltung eines oder mehrerer Gene, die beispielsweise für an der neuralen Transprogrammierung beteiligte Transkriptionsfaktoren codieren, zu Neuronen transprogrammiert werden können. Zur Klärung dieser Forschungsfrage soll ein experimentelles, genetisch komplex verändertes Zellmodell genutzt werden, das auf der hES-Zell-Linie H9 beruht. Durch Aktivierung von Genen, deren Produkte eine Rolle bei der neuronalen Transprogrammierung haben (könnten), sollen die Mechanismen der Induktion eines neuronalen Schicksals in aus hES-Zellen abgeleiteten Astrozyten geklärt werden. Dabei ist auch von Interesse, welche neuronalen Subtypen jeweils induziert werden, ob hierfür Astrozyten einer bestimmten regionalen Spezifität erforderlich sind und ob und inwieweit das Zusammenspiel mehrerer Faktoren erforderlich oder ob ein einzelnes Genprodukt Veränderungen der Zellidentität bewirken kann. Dies wird aller Voraussicht nach zu neuen Erkenntnissen darüber führen, welche Genaktivitäten für bestimmte neuronale Zellidentitäten von Bedeutung sind. Die im Forschungsvorhaben identifizierten Gene könnten dann Ziele für eine direkte Transprogrammierung von Astrozyten zu Neuronen sein, ggf. auch im Rahmen künftiger therapeutischer Verfahren.

Zweitens soll unter Nutzung desselben experimentellen Modells überprüft werden, ob bestimmte Faktoren die Identität von Astrozyten in vitro stabilisieren (oder eine solche Identität in Neuronen erzeugen) können und ob deren Präsenz ggf. einer neuronalen Transprogrammierung entgegenwirkt. Diese sind ebenfalls von erheblichem Interesse, da eine erfolgreiche neurale Transprogrammierung ggf. eine Kombination von Aktivierung neuronaler Zellidentitätsfaktoren und gleichzeitiger Hemmung oder Inaktivierung glialer Zellidentitätsfaktoren (beispielsweise durch kleine Moleküle) erfordern würde.

Drittens schließlich sollen durch Nutzung genomweiter Ansätze Faktoren identifiziert und verifiziert werden, von denen bislang nicht bekannt ist, ob sie an der Transprogrammierung (von Astrozyten in Neurone, von Neuronen in Astrozyten oder von bestimmten Neuronen in andere Typen von Neuronen) beteiligt sind, ob sie diese induzieren, verstärken oder hemmen.

Bislang bestehen nur unzureichende Kenntnisse darüber, wie die neuronalen und glialen Zellidentitäten zustandekommen, welche Prozesse einen Übergang von der glialen zur neuronalen Identität (und umgekehrt) fördern, welche molekularen Hürden für eine derartige Konversion bestehen und wie diese überwunden werden können. Auch ist nur unzureichend bekannt, wie letztlich eine bestehende zelluläre Identität gelöscht werden kann. Die hier vorgesehenen experimentellen Ansätze zur Identifizierung und Verifizierung von zellidentitätsbestimmenden Faktoren sind von erheblicher Relevanz und versprechen einen deutlichen Erkenntnisgewinn zu den genannten Fragen. Zudem können sich aus den erwarteten Forschungsergebnissen auch Kenntnisse darüber ergeben, auf welchem Wege sich spezifische und bislang in vitro nicht effizient gewinnbare neuronale Subtypen besser als bislang aus pluripotenten Stammzellen herstellen lassen, beispielsweise durch gezielte Induktion von für die entsprechende Zellidentität maßgeblichen Genen und Transkriptionsnetzwerken. Da die bisherigen Kenntnisse zu zellidentitätsbestimmenden Faktoren vor allem aus Untersuchungen im Mausmodell oder aus Forschungen mit murinen Zellen gewonnen wurden, können durch die hier geplanten Arbeiten ggf. auch Rückschlüsse über die grundsätzliche Übertragbarkeit der zu den hier interessierenden Fragen vorliegenden Erkenntnisse aus der Maus auf den Menschen gezogen werden. Dies ist angesichts der erheblichen Unterschiede in den transkriptionellen Programmen, in den Zelltypen und im Verhalten und Metabolismus der Zellen zwischen Maus und Mensch ebenfalls von Relevanz.

Die Forschungsarbeiten erfolgen auch vor dem Hintergrund der Entwicklung von neuen Therapien für neurodegenerative Erkrankungen. Bei den entsprechenden Therapien soll der Ersatz der untergegangenen Zellen nicht durch entsprechende Transplantate, sondern durch Aktivierung von Signalkaskaden und transkriptionellen Netzwerken in Astrozyten erfolgen, wodurch die Umwandlung von Astrozyten in die jeweils benötigten neuronalen Zellen angeregt werden soll. Ein derartiges Vorgehen ist – wie im Tiermodell bereits gezeigt wurde – durchaus möglich und künftig auch für die Anwendung beim Menschen denkbar. Hierfür ist aber ein tiefgründiges Verständnis der neuralen Transdifferenzierung und der daran beteiligten Faktoren erforderlich, zu dem mit den genehmigten Forschungsarbeiten beigetragen wird.

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 Tatsache, dass die Expression des Gens für nur einen einzigen Transkriptionsfaktor die Transdifferenzierung postnataler glialer Zellen zu Neuronen eines bestimmten Typs auslösen kann, ist seit ca. 20 Jahren aus Experimenten mit tierischen Zellen bekannt. Seitdem wurden zahlreiche Arbeiten publiziert, in denen die Transprogrammierung von Astrozyten zu verschiedenen Typen neuronaler Zellen umfassend untersucht wurde. Dabei wurden zahlreiche Gene identifiziert, deren Expression in Astrozyten eine Konversion in verschiedene Typen von Neuronen auslöst oder befördert. Hinsichtlich der Möglichkeit, eine Transprogrammierung von Astrozyten zu neuronalen Zellen selbst in vivo vornehmen zu können, liegen bereits mehrere publizierte Studien aus Tiermodellen vor. Frühere Arbeiten der für die Forschung verantwortlichen Wissenschaftlerin haben gezeigt, dass in einem Mausmodell für traumatische Hirnverletzungen der Transfer und die Expression der Gene für spezifische neurogene Faktoren eine effiziente Transprogrammierung bewirkte. Andere Forscher zeigten, dass die Transprogrammierung muriner Astrozyten unter Nutzung von drei Faktoren sowohl in vitro als auch in vivo zu funktional aktiven dopaminergen Neuronen und in einem Mausmodell für Morbus Parkinson zu einer Verbesserung der Symptome führte.

Die experimentellen Vorgehensweisen, mit denen Genaktivitäten moduliert werden sollen, sind bereits vielfach und erfolgreich angewandt und entsprechende Resultate in der wissenschaftlichen Literatur publiziert worden. Auch die zum Einsatz kommenden Methoden für die Differenzierung von hES-Zellen in neuronale (Vorläufer)Zellen und Gehirn-Organoide sind in der Literatur vielfach beschrieben worden. Ein Protokoll für die effiziente Gewinnung humaner Astrozyten definierter regionaler Spezifität aus pluripotenten Stammzellen liegt seit kürzerem in der Literatur vor. Die Vorgehensweisen zur Charakterisierung der transprogrammierten Zellen auf morphologischer, molekularer und funktionaler Ebene sind in der wissenschaftlichen Literatur ebenfalls vielfach beschrieben worden.

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

Zentrales Ziel der genehmigten Forschungsarbeiten ist die Identifizierung von Genen, die beim Menschen für Faktoren codieren, die zur Bestimmung der neuronalen bzw. glialen Zellidentität beitragen. Dies erfordert aufgrund der unterschiedlichen Biologie des Gehirns verschiedener Spezies die Nutzung eines humanen Zellmaterials. Die Forschungsziele können auch nicht unter Nutzung anderer als pluripotenter Stammzellen des Menschen erreicht werden: primäre humane Astrozyten und Neurone stehen nicht reproduzierbar in für die Durchführung des Forschungsvorhabens ausreichender Menge und Qualität zur Verfügung. Für humane fötale neurale Stammzellen trifft dies ebenfalls zu. Zudem gibt es derzeit keine Anhaltspunkte dafür, dass andere als humane pluripotente Stammzellen erfolgreich für die hier vorgesehene Herstellung von dreidimensionalen Gehirn-Organoiden genutzt und damit zur Erreichung der Forschungsziele eingesetzt werden könnten. Die Forschungsziele können nach derzeitigem Kenntnisstand auch nicht unter Verwendung von humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPS-Zellen) erreicht werden. Da Effekte von Transprogrammierungsfaktoren auf die Zellidentität untersucht werden sollen, sind hierfür Zellen erforderlich, die einen möglichst ursprünglichen Charakter aufweisen. Diese Voraussetzung erfüllen hiPS-Zellen nicht in gleichem Maße wie hES-Zellen. hiPS-Zellen weisen im Gegensatz zu hES-Zellen reprogrammierungsbedingte genetische und epigenetische Anomalien auf und können noch Rückstände der Identitätsmerkmale (z. B. Chromatin-Veränderungen) der somatischen Zellen enthalten, aus denen sie durch Reprogrammierung gewonnen wurden. Da vermutet wird, dass bei dem Prozess der Transprogrammierung die Funktion der zu untersuchenden Transprogrammierungsfaktoren im Zusammenspiel mit Chromatin ausgeübt wird, ist ein möglichst ursprüngliches Epigenom der genutzten Zellen aber von essentieller Bedeutung für die hier zu klärenden Forschungsfragen. Zudem sollen die Untersuchungen unter Verwendung einer genetisch komplex veränderten transgenen hES-Zell-Linie erfolgen, deren Nutzung für die Erreichung der Forschungsziele zwingend erforderlich ist. Eine vergleichbare transgene Zell-Linie auf der Grundlage von hiPS-Zellen ist derzeit jedoch nicht verfügbar.

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