Stammzellen

Herzgewebe kommt künftig vom Fließband

Immer weniger Zutaten sind nötig, um Zellen zu verjüngen und in andere Zelltypen umzuwandeln. Nun planen Forscher die standardisierte Produktion von Stammzellen als Basis für Pharmatests. Das könnte aber auch die Transplantationsmedizin schon bald revolutionieren.

Es war eine wissenschaftliche Sensation, was Hans Schöler, Direktor am Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin in Münster, im Vorjahr erstmals gelang. Mit nur noch einem zusätzlich eingeführten Gen versetzte er ausgereifte Zellen eines Erwachsenen zurück in den Urzustand. Dann entwickeln diese Eigenschaften von Embryozellen: Aus ihnen kann praktisch jeder Zelltyp des Körpers entstehen. „Reprogrammierung“ nennen die Forscher die genetische Verjüngungskur.

Der Weg zur Metamorphose führt über induzierte pluripotente Stammzellen (iPS). Diese sind genetisch identisch mit den ursprünglich vom Spender stammenden Zellen. Ein entscheidender Vorteil, denn so lässt sich beispielsweise aus wenigen Hautzellen das Ausgangsmaterial für neues Herz- oder Nervengewebe gewinnen, das nicht mehr vom Immunsystem abgestoßen wird.

Die Technik könnte nicht nur die Transplantationsmedizin revolutionieren. Auch die Pharmaforschung setzt auf humanspezifische Testmodelle, um anhand genau definierter Krankheitsprofile frühzeitig zu sicheren Aussagen über die Wirksamkeit neuer Medikamente zu kommen.

Was bis vor Kurzem noch Grundlagenforschung war, will nun ein deutsches Forschungskonsortium in wirtschaftliche Bahnen lenken: Mit der „Stammzellfabrik“ könnten iPS-Zellen buchstäblich am laufenden Band hergestellt, vermehrt und in die gewünschten Zell- und Gewebetypen umgewandelt werden.

Die Reprogrammierung von Hautzellen in pluripotente Alleskönnerzellen ist mittlerweile in vielen Labors etabliert. Auch für die Ausreifung dieser iPS-Zellen in Nerven- oder Herzmuskelzellen gibt es standardisierte Methoden.

„Damit ist die Zeit gekommen, diese Verfahren zusammenzuschließen und zu industrialisieren“, sagte Oliver Brüstle, Direktor des Instituts für Rekonstruktive Neurobiologie an der Universität Bonn sowie Mitgründer und Geschäftsführer von Life & Brain, den VDI nachrichten.

Das universitätsnahe biomedizinische Unternehmen hat die Federführung in dem Projekt übernommen. Anfang kommenden Jahres soll es starten. Gemeinsam mit der RWTH Aachen und dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie in Aachen, dem Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin in Münster sowie den Unternehmen Bayer Technology Services GmbH in Leverkusen und HiTec Zang in Herzogenrath und mit finanzieller Unterstützung des Landes NRW wollen die Partner innerhalb von drei Jahren alle nötigen Produktionsanlagen entwickeln und in Betrieb nehmen.

Zunächst sollen an den Standorten Bonn und Aachen Module entwickelt und stationiert werden, um sie später zusammenzuschließen. „Ähnlich wie bei der Konzeption eines Fließbandprozesses arbeiten wir in Modulen“, erläuterte Brüstle.

Am Anfang steht eine kleine Hautprobe, die in den Prozess eingespeist wird. Aus dieser werden zunächst robotergestützt Bindegewebszellen gewonnen, welche in nachfolgenden Modulen mithilfe spezieller Faktoren reprogrammiert, vermehrt und mit besonderen Nährmedien in Gehirn- und Herzzellen ausgereift werden.

„Das Endprodukt des Prozesses sind mit vielen Hundert Zellproben bestückte Plastikschalen, mit denen sich nun Wirkstoffe direkt an menschlichen Zellen erproben und entwickeln lassen“, so Brüstle.

Was einfach klingt, ist in der Praxis äußert kompliziert. Ein zentrales Problem : Wie lässt sich im Prozess sicherstellen, dass die Umwandlung zu iPS-Zellen auch tatsächlich erfolgt ist? Bereits ein einziges falsches genetisches Signal kann die Zellentartung und damit einen Tumor auslösen.

„Wir entwickeln gerade einen hochspezifischen Hochdurchsatz-Test, mit dem sich Aktivität und Expression charakteristischer Gene simultan messen lassen. Das ermöglicht einen sicheren und schnellen Überblick über die zellulären Eigenschaften“, erklärte Andreas Schuppert, Experte für molekulare Datenanalyse bei Bayer Technology Services.

Vor der Herausforderung stehen auch die Forscher des im Vorjahr angelaufenen EU-Projektes „Hyperlab“. „Ziel ist es mikrofluidische Zellkulturtechnologien an die spezifischen Bedürfnisse von Stammzellen anzupassen und so Hochdurchsatz-Untersuchungen zur Verbesserung vorhandener Protokolle zu erreichen“, sagte Projektleiter Heiko Zimmermann vom Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT in St. Ingbert.

Um die zuverlässige Differenzierung von Stammzellen sicherzustellen, wollen die neun europäischen Partner, darunter Forschungsinstitute, Universitäten und Unternehmen, neuartige, berührungsfreie Systeme zur Generierung von 3-D-Zellkulturen entwickeln. Vorarbeiten am IBMT mit Stammzellen, die Knorpel- und Knochengewebe lieferten, ergaben, dass die Kultivierung in „hängenden Tropfen“ eine aussichtsreiche Option ist.

Einen Schritt weiter scheint der japanische Stammzellforscher und Erfinder der iPS-Zellen Shinya Yamanaka. Als frisch gekürter Direktor des neuen Zentrums für Stammzellforschung an der Universität Kyoto kündigte er an, eine „Kyoto iPS-Zellbank“ aufzubauen.

Dafür sollen aus Nabelschnurblut klinisch nutzbare iPS-Zelllinien mit einer Auswahl an genetischen Mustern hergestellt werden, die häufig in der japanischen Bevölkerung vorkommen. Die genetisch kompatiblen Stammzellen könnten dann etwa bei Schwerverletzten und -kranken sofort zum Einsatz kommen. Die Wartezeit auf ein Transplantat, gezüchtet aus körpereigenen Zellen, würde entfallen.

Unterdessen deutet sich an, dass alles bald noch schneller gehen könnte: Eine Hautzelle wird einfach in eine Nervenzelle verwandelt. Das kleine Wunder ist kürzlich in den USA Marius Wernig von der Stanford University gelungen. Mithilfe weniger Eiweißfaktoren, die die Aktivierung von Genen steuern, setzte er die Reprogrammierung in Gang. Die Metamorphose schaffte er jedoch nur bei der Maus – vorerst. S. V. D. WEIDEN

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