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Biomedizin: Forschern gelingt offenbar sichere Zell-Reprogrammierung

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Ist es der Durchbruch in der ethisch einwandfreien Stammzellforschung? Zwei Wissenschaftlerteams ist es gelungen, Körperzellen ohne den Einsatz von Viren in Alleskönner-Stammzellen zu verwandeln und anschließend eingeschleuste Gene wieder zu entfernen - ein weiterer Schritt, um unheilbare Krankheiten zu therapieren.

Die Reprogrammierung von Körperzellen in Stammzellen ist derzeit eines der heißesten Gebiete in der Biomedizin. Das Ziel: ethisch einwandfreie Alleskönner-Zellen (sogenannte induzierte pluripotente Stammzellen, iPS-Zellen) herzustellen, mit denen Ärzte einmal kaputte Organe nachzüchten oder Krankheiten wie Parkinson und Diabetes heilen wollen.

iPS-Zelle (Archivbild): Reprogrammierung ohne Virus gelungen
MPI Münster / Jeong Beom Kim

iPS-Zelle (Archivbild): Reprogrammierung ohne Virus gelungen

Alles, was man dazu tun muss, ist, ganz bestimmte Gene in eine Körperzelle einzuschleusen. Dadurch wird sie aus ihrem differenzierten Status zurück in eine Alleskönner-Zelle verwandelt, wie sie im sich entwickelnden Embryo vorliegt. Erstmals war dieses Kunststück Wissenschaftlern um Shinya Yamanaka von der Universität von Kyoto bei Hautzellen der Maus und dann auch bei menschlichen Hautzellen gelungen.

Dazu hatte Yamanaka noch vier Gene benötigt: c-Myc, Klf4, Sox2 und Oct4. Alle vier schleuste er mit Hilfe eines Retrovirus in die Zelle. Hans Schöler und seinem Team vom Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin in Münster gelang es dann, die Zahl der notwendigen Gene zunächst von vier auf zwei und letztlich auf nur noch ein Gen zu senken: Oct4.

Krebsgefahr durch die Virus-Methode

Das Problem: Die Einschleusung der Gene birgt Krebs-Risiken. Eine therapeutische Anwendung der Zellen ist daher nicht möglich. Riskant ist auch das Einbringen der Gene mittels eines Virus, denn dabei werden die Gene an verschiedenen Stellen im Erbgut verstreut. Lebenswichtige Gene könnten dabei beschädigt werden. Die Zelle könnte entarten. Zudem bringt auch das Virus sein eigenes Erbgut mit in die Zelle ein.

Beide Probleme könnten nun auf einen Schlag gelöst sein: Ein Forscherteam um Keisuke Kaji von der Universität Edinburgh in Großbritannien und eines um Andras Nagy vom Mount Sinai Hospital in Toronto vermelden in zwei parallelen Veröffentlichungen im Magazin "Nature", dass sie die sichere Zell-Reprogrammierung geschafft haben wollen.

Die Forscher verwendeten zum einen als Genfähre kein Virus mehr, sondern ein Plasmid, ein ringförmiges DNA-Molekül, wie es ursprünglich in Bakterien vorkommt. In das Plasmid bauten die Wissenschaftler nebeneinander die vier Reprogrammiergene c-Myc, Klf4, Oct4, Sox2 ein. Dann brachten sie es in Hautzellen der Maus und des Menschen ein und konnten diese erfolgreich zu iPS-Zellen reprogrammieren. Die Zellen gaben sie zu Mäuseembryonen hinzu, woraufhin diese sich in die Embryonen integrierten und zur Bildung verschiedenster Organe beitrugen - ein gängiger Test für die Pluripotenz von Stammzellen.

Die Zusammenarbeit der Teams war beispielhaft

Der weitere Clou der Forscher: Nach der Reprogrammierung schnitten sie die vier Gene wieder aus dem Erbgut der Zellen vollständig heraus.

Der Erfolg ist echtes Teamwork: Nagy und Kaji hatten beide am gleichen Ansatz geforscht und Teilerfolge erreicht. Kajis Team war es zuvor gelungen, mit dem Plasmid die Gene einzuschleusen - allerdings nicht, sie wieder herauszuschneiden, ohne benachbarte Gene dabei zu beschädigen. Das wiederum hatte Nagys Team erreicht, nur verstreute seine Einschleusungsmethode die vier Gene zufällig im Erbgut, so dass es nicht gelang, sie alle herauszuschneiden. Erst in der Kombination ihrer Methoden gelang den beiden Forscherteams die Verbesserung der Zell-Reprogrammierung.

Das Team um Nagy zeigt in seiner Veröffentlichung zudem eine weitere Verbesserung der Einschleusung: Die Forscher verwendeten ein spezielles Transposon-Plasmid. Ein Transposon ist ein springendes Gen. Es hat die Möglichkeit, seine Lage im Erbgut zu verändern. Dadurch erzielten sie einen noch besseren Einbau der vier Gene. Nach erfolgreicher Reprogrammierung gelang es ihnen, die Genfähre zusammen mit den eingeschleusten Genen komplett aus dem Erbgut der induzierten Stammzellen wieder herauszuschneiden - allerdings nur bei Mauszellen. Bei der Methode von Kaji ohne Transposon waren nach dem Herausschneiden noch Reste der Gene im Erbgut verblieben.

Theoretisch sei die Methode mit Transposon zu reprogrammieren und es anschließend wieder auszuschneiden auch bei menschlichen iPS-Zellen anwendbar, sagte Kaji im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE. Aus Zeitgründen habe man das noch nicht probiert, zudem müsse man die so erhaltenen Zellen auf Pluripotenz prüfen. "Nach Abschluss dieses Prozesses", so Kaji, "denke ich, dass die iPS-Zellen geeignet für therapeutischen Einsatz wären."

Auf die Frage hin, ob die neue Methode mit dem Ein-Gen-Ansatz von Schöler kombinierbar sei, sagte Kaji: "Da die vier Gene in einem einzigen Plasmid sind, denke ich nicht, dass die Verwendung von nur Oct4 sicherer ist." Es komme nicht nur auf die Anzahl der Gene an, sondern auf die Anzahl der Integrationsstellen im Genom. Zudem brauche man für Schölers Ansatz adulte Stammzellen aus dem Gehirn, was nachteilig sei, weil es einen größeren Aufwand bedeute.

Andras Nagy bestätigt: "Adulte Stammzellen aus dem Hirn zu isolieren, erfordert invasive Techniken. Das macht viel aus." Die Verschmelzung der vier Gene in einen sei der Schlüssel in Kajis Arbeit gewesen. "Obwohl wir alle vier Faktoren benutzen, ist es praktisch so, als ob wir es nur mit einem Gen zu tun haben - denn es gibt nur eine Integrationsstelle im Genom."

Die Frage nach dem therapeutischen Wert der Zellen bleibt

Ian Wilmut, Direktor des MRC Centre for Regenerative Medicine in Edinburgh, sagte: "Es wird noch einige Zeit dauern, bis wir diese iPS-Zellen Patienten geben können. Es fehlen uns immer noch Methoden, die gewünschten Zellen aus ihnen herzustellen." Dennoch sieht Wilmut einen großen Forschritt in den beiden Arbeiten. In Kombination mit den Erfolgen anderer Stammzellforscher lassen sie eine regenerative Medizin näher rücken.

Auch Kaji sieht das so: "Pluripotente Zellen zu haben, ist nicht genug. Wir müssen in der Lage sein, daraus Zelltypen herzustellen. Und wir brauchen Methoden, die Zellen dahin zu bringen, wo wir sie haben wollen."

Hans Schöler vom Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin in Münster teilte SPIEGEL ONLINE seine Einschätzung mit: "Es war nur eine Frage der Zeit, dass jemand Transposons wie Sleeping Beauty oder PiggyBac zur Reprogrammierung einsetzen würde." Die beiden Publikationen in 'Nature' zeigten, dass eine der Vorgehensweisen der 'Reprogrammierer' wieder ein Stück weiter vorangekommen sei.

Zur Frage der therapeutischen Eignung der Zellen sagte Schöler: "Der Vorteil ist, dass Transposons fast immer exakt herausgeschnitten werden. Leider aber nicht immer. Will man absolute Sicherheit, muss man die Insertionsstellen hinterher untersuchen." Um iPS-Zellen routinemäßig herzustellen, sei das nun angewendete Verfahren daher vermutlich zu aufwendig und fehleranfällig, so Schöler. Beide Arbeiten hätten ihm jedoch gut gefallen, die beschriebenen Vorgehensweisen würden "möglicherweise Zellen liefern, die uns helfen zu verstehen, ob die iPS-Zellen therapeutisch einsetzbar sind".

"Was jetzt gemacht werden muss", so Schöler, "ist ideales Zellmaterial - etwa aus Nabelschnurblut - zu verwenden. Denn die DNA ist noch sehr jung und daher intakt." Dann sollte es eigentlich möglich sein, humane iPS Zellen zu erhalten, die keine Mutation durch ein Transposon tragen. "Anschließend kann man untersuchen, wie sich diese Zellen im Vergleich zu menschlichen embryonalen Stammzellen schlagen."

Und es gibt noch mehr kritische Stimmen: Robin Lovell-Badge, Stammzellforscher am National Institute for Medical Research in London, kritisierte, dass die Forscher die Pluripotenz der Zellen nicht ausreichend nachgewiesen hätten. "Die Tests dafür in beiden Arbeiten beweisen nicht genügend, dass sie wirklich pluripotente menschliche Stammzellen hergestellt haben." Ähnlich sieht das auch Schöler: Die Beschreibung in den Artikeln gebe "nicht genug her, um zu sagen, was ihre iPS-Zellen wert sind".

Lovell-Badge sagte aber auch: "Ich habe keinen Grund zu der Annahme, dass die neuen Methoden nicht funktionieren sollten."

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