Stammzellforschung an und mit Affen: zwischen Grundlagen und Anwendung

504 W I S S EN S CH AFT · S PECIA L : STAMMZE LLT E CH NOLOGIE Nicht menschliche Primaten Stammzellforschung an und mit Affen: zwischen Grundlagen und Anwendung RÜDIGER BEHR PLATTFORM DEGENERATIVE ERKRANKUNGEN, DEUTSCHES PRIMATENZENTRUM – LEIBNIZ-INSTITUT FÜR PRIMATENFORSCHUNG, GÖTTINGEN UND DEUTSCHES ZENTRUM FÜR HERZ-KREISLAUF -FORSCHUNG (DZHK) – PARTNER SITE GÖTTINGEN Pluripotent stem cells (PSC) are important for several areas of biomedicine, including cell replacement therapy and embryonic development. Non-human primates (NHP) are of paramount importance as human models for translating cell replacement therapies into the clinic. However, this requires NHP-PSC that meet specific quality criteria. We have generated appropriate NHP-PSC. Our work contributes to making the NHP even more useful as a preclinical model in biomedical research. DOI: 10.1007/s12268-022-1824-4 © Der Autor 2022 1. Neuartige Zellersatztherapien [1] 2. Ursachen, Auswirkungen und Therapie genetischer Erkrankungen 3. Embryonenforschung 4. Evolutionsforschung 5. Entwicklung von Alternativmethoden zum Tierversuch Diese Anwendungsfelder belegen, warum PSC die biomedizinische Forschung revolutionieren. PSC können als embryonale Stammzellen (embryonic stem cells, ESC) aus frühen Embryonen gewonnen werden. Seit dem Jahr 2006 gibt es alternativ zu den – im Bild: Anton Säckl ó Stammzellen sind alle Zellen, die sich langfristig selbst erneuern und gleichzeitig mindestens einen terminal differenzierten (funktionellen) Zelltyp hervorbringen können. Der für viele Anwendungen wichtigste Stammzelltyp ist die pluripotente Stammzelle (pluripotent stem cell, PSC). Sie ist dadurch charakterisiert, dass sie sich zu allen Zelltypen eines postnatalen Organismus entwickeln kann. PSC sind besonders im Fokus der biomedizinischen Forschung, da sie in unterschiedlichen Bereichen sehr wichtig geworden sind: ˚ Abb. 1: Rhesusaffen (Macaca mulatta, links) und Weißbüschelaffen (Callithrix jacchus, rechts) als Repräsentanten der nicht menschlichen Primaten. Beide Affenarten sind wichtige Modelle in der biomedizinischen Forschung. © DPZ. humanen Bereich ethisch kontrovers diskutierten – ESC einen zweiten PSC-Typ: induzierte pluripotente Stammzellen (induced pluripotent stem cells, iPSC). In Nobelpreisgekrönten Experimenten wurde für menschliche und Mauszellen gezeigt, dass die Überexpression von nur vier Genen hinreichend ist, um praktisch jeden differenzierten Zelltyp wieder in einen embryonalen Zustand zurückzuversetzen – dass also in spezialisierten Zellen wie Fibroblasten die Eigenschaft der Pluripotenz wieder induziert werden kann. Es gibt inzwischen iPSC von zahlreichen Tierarten. Besonders in den Bereichen der Entwicklung neuartiger Zellersatztherapien und in der Embryonenforschung kommt aber den PSC der nicht menschlichen Primaten (non-human primates, NHP; Abb. 1) eine besondere Rolle zu, da die NHP dem Menschen stammesgeschichtlich sehr nahe verwandt sind. Darin begründet ist, dass die zeitliche und räumliche Genexpressionsaktivität während der Individualentwicklung von NHP der des Menschen sehr viel ähnlicher ist als die der Nagetiere [2]. Dies schließt auch krankheitsrelevante Gene mit ein [3]. Wir haben jedoch, wie viele Kolleg:innen ebenfalls, die Erfahrung gemacht, dass die iPSC-Herstellung von NHP weniger effizient ist als die humaner iPSC. Wenn wir nach dem in Abbildung 2A gezeigten Schema Fibroblasten von adulten Rhesusaffen und Menschen parallel reprogrammiert haben, erschienen die primären Stammzellkolonien bei den menschlichen Zellen früher und zahlreicher (Abb. 2B, C). So haben wir für menschliche Hautfibroblasten nach 20 Tagen Reprogrammierungsdauer Reprogrammierungseffizienzen von 0,15–1 Promille festgestellt, während die entsprechenden Effizienzen für Hautfibroblasten den Rhesusaffen zwischen 0,01–0,05 Promille lagen (Abb. 2C, [4]). Die Gründe dafür sind bisher nicht bekannt. Eine Erklärung könnte sein, dass wir diesen Vergleich mit humanen Reprogrammierungsfaktoren durchgeführt haben und diese in Rhesusaffenzellen weniger effektiv funktionieren. Dagegen spricht BIOspektrum | 05.22 | 28. Jahrgang 505 A B C ˚ Abb. 2: Herstellung von iPSC der nicht menschlichen Primaten (NHP). A, Als Startzellpopulation nutzen wir hauptsächlich Hautfibroblasten. In Rot sind die den kommerziellen Medien zugefügten Substanzen angegeben, die die Reprogrammierung der Affenzellen verbesserten. Das UPPS (universial primate pluripotenc stem cell medium) ist ein kommerzielles Medium für humane PSC, das für die Kultur der NHP mit dem Wnt signaling inhibitor IWR-1 und dem GSK3 inhibitor CHIR99021 optimiert wurde. Details in [4]. B, Humane Zellen werden schneller und effizienter nach dem in A dargestellten Protokoll reprogrammiert als Rhesusaffenzellen. Aber die relativ wenigen erhaltenen Rhesusaffen-iPSC sind von hoher Qualität. Reprogrammierte (pluripotente) Zellen exprimieren das Enzym Alkalische Phosphatase, das ein farbloses Substrat in einen wasserunlöslichen roten Farbstoff umwandeln kann. So kann die Anzahl der Reprogrammierungsereignisse durch Zählen der roten Zellkolonien, die durch Zellproliferation im Laufe der Zeit immer größer werden, bestimmt werden. C, Die Reprogrammierungseffizienz (primäre reprogrammierte Kolonien/10.000 Zellen) wurde in Fibroblastenkulturen von drei Rhesusaffen und von zwei Menschen nach 20, 30 und 40 Tagen bestimmt. Abb. 1B und 1C entnommen aus [4]. jedoch, dass wir für die Reprogrammierung von Weißbüschelaffenfibroblasten die Reprogrammierungsgene aus dieser Spezies verwendet haben [5] und auch in diesem Ansatz die Reprogrammierungseffizienz gering war. Wichtig ist jedoch, dass wir mit dem episomalen Ansatz [4] eine Methode entwickeln haben, die die zuverlässige Herstellung von iPSC von verschiedenen NHP (Rhesusaffe [4], Javaneraffe [unpubliziert], Pavian [4], Weißbüschelaffe [unpubliziert]) und des Menschen [4] ermöglicht. Zellersatztherapien – Chancen und Risiken Bei der Entwicklung neuer Zellersatztherapien steht die Überprüfung ihrer Sicherheit und Wirksamkeit im Kontext eines Gesamtorganismus im Zentrum. Die Idee der Zellersatztherapie ist dabei einfach: Degeneriertes Gewebe wird durch neues, aus Stammzellen gewonnenes Gewebe ersetzt. Es gibt zahlreiche degenerative Erkrankungen, die durch den Verlust eines Zelltyps oder Gewebes charakterisiert sind. Dazu gehören der Herzinfarkt, die Parkinson-Erkrankung und Typ-IDiabetes. So können aus PSC entweder Vorläuferzellen für das zu ersetzende Gewebe im Labor hergestellt werden oder sogar im Labor BIOspektrum | 05.22 | 28. Jahrgang vorfabrizierte, fertige Gewebe. Im Fall der Herzdegeneration werden z. B. vorgefertigte Herzmuskelpflaster entwickelt [6]. So einfach wie viel versprechend die Idee der Zellersatztherapie ist, so wichtig ist es doch, sie vor einer breiten Anwendung am Patienten sehr sorgfältig präklinisch zu testen. Dabei sind drei Kriterien von besonderer Bedeutung: 1. die Sicherheit der Therapie, 2. ihre Wirksamkeit, dass die Zelle (...truncated)