Pluripotenz ohne Nebenwirkungen

Im vergangenen Jahr kündigten Forscher eine der bislang interessantesten Methoden zur Schaffung ethisch sauberer Stammzellen an: Die Umprogrammierung adulter menschlicher Hautzellen, damit sie wieder zu embryonalen Stammzellen werden. Das Verfahren nutzte vier Transkriptionsfaktoren, um bestimmte Gene an und aus zu schalten. Die sich daraus ergebenden Zellen, induzierte pluripotente Stammzellen (iPS) genannt, weil sie sich in nahezu jeden Gewebetyp verwandeln lassen, haben allerdings einen großen Nachteil. Sie werden mit einem Virus erzeugt, das sich in die Zell-DNA integriert und mit der Zeit Krebs erzeugen kann. Forscher an der Harvard University haben nun eine Methode entwickelt, die Umprogrammierung der Zelle ohne dieses potenziell gefährliche Virus vorzunehmen. Sollte die Technik so arbeiten wie vorgesehen, könnte sie eines Tages den Weg zu Gewebetransplantaten ebnen, die aus den eigenen Stammzellen eines Patienten gezüchtet wurden.

Die erste Generation der iPS wurde mit Hilfe eines Retrovirus erstellt, der die vier Transkriptionsfaktoren in Hautzellen hineintrug. Weil ein Retrovirus schon per Definition ein Virus ist, das sich permanent in die DNA des Wirtes einschleust, stellte dies sicher, dass die Transkriptionsfaktoren auch wirklich weitergegeben wurden. Gleichzeitig wurde aber auch das Retrovirus selbst mit verteilt. Hinzu kommt, dass das Virus der Wirtszelle Selbsterneuerungskräfte zu verleihen scheint. Deshalb nahmen viele Forscher an, dass das Retrovirus für die Reproduktion der iPS selbst notwendig wäre.

Konrad Hochedlinger und seine Kollegen an Harvard University, am Harvard Stem Cell Institute und am MGH Center for Regenerative Medicine haben nun gezeigt, dass ein anderer Virustyp, ein Adenovirus, den notwendigen Transfer bei Mäusezellen übernehmen kann, ohne sich selbst permanent in die DNA zu integrieren. Die sich daraus ergebenden iPS können sich unendlich teilen, zeigen aber keine Spuren des Virus mehr – es ist ähnlich wie bei einer Kurzzeitinfektion, die bald wieder verschwindet. "Das bedeutet, dass die vier Transkriptionsfaktoren allein ausreichen, um die Pluripotenz bei adulten Zellen zu induzieren", sagt Hochedlinger.

Die Schaffung genetisch unveränderter iPS gilt vielen Forschern als heiliger Gral der neuen regenerativen Medizin. Die Zellen stammen nicht von Embryonen, so dass die ethischen Grauzonen umgangen werden können. Und sollten diese Zellen genauso potent wie embryonale Stammzellen sein, könnte man sie tatsächlich nutzen, um geschädigtes Gewebe neuerlich wachsen zu lassen – für so unterschiedliche Krankheitszustände wie Lähmungen, Parkinson oder Diabetes. Der enorme Vorteil dabei: Da das Gewebe aus den eigenen Zellen des Patienten stammt, wird auch keine Abstoßreaktion hervorgerufen.

Die Gewinnung von iPS ohne enthaltene Virus-DNA erwies sich als nicht einfach. Obwohl Hochedlinger die entscheidende Hürde nun offenbar genommen hat, ist die Effizienz der Methode noch keineswegs perfekt. Retrovirus-Techniken können eine von 1000 adulten Hautzellen erfolgreich zu iPS umwandeln. Bei Adenoviren ist es schwieriger: Die Ausbeute liegt bei eins zu 10.000 bis 100.000 fötaler Leberzellen. "Es könnte sein, dass die Forscher, die bislang bereits mit Adenoviren gearbeitet haben, erfolgreiche iPS-Umwandlungen einfach nicht wahrgenommen haben, weil die Effizienz so gering ist", meint Hochedlinger. Auch er und sein Team hätten bereits vor einem Jahr damit ergebnislos experimentiert.

Die ersten Versuche hatten sich aber auf Hautzellen konzentriert. Nachdem Hochedlinger gehört hatte, dass Leberzellen offenbar eine geringere Virenintegration benötigen, um sich umprogrammieren zu lassen, änderte er seinen Ansatz.

Dennoch ist die Effizienz im Labor noch sehr, sehr schlecht. Aus einer Million mit Adenoviren infizierten Zellen wurde nur eine stabile Stammzelllinie produziert. Doch diese Linie war dann genetisch unverändert. Setzte man die Zellen bei Mäusen ein, bildeten sie einen Cluster aus Zellen, die sich in verschiedene Gewebetypen ausdifferenzierten – ein Standardtest für die Pluripotenz. Wurden die Zellen Mäuseembryonen eingesetzt, wurden die Stammzellen in eine Anzahl verschiedener Organgewebearten integriert, darunter Lunge, Herz und Gehirn. Auch blieben Mäuse mit einem Alter von bis zu 13 Wochen tumorfrei.

Bislang konnten sich iPS nicht mit embryonalen Stammzellen vergleichen lassen, weil die Auswirkungen der integrierten Viren-DNA auf das Endprodukt unsicher waren. "Das war so, als würde man Äpfel mit Birnen vergleichen", meint Hochedlinger. Nun könne die Leistungsfähigkeit der beiden Zelltypen hingegen "Kopf an Kopf" verglichen werden. "Man kann sich das nun auch in einem menschlichen Umfeld vorstellen und daran gehen, genetisch unveränderte menschliche Zellen zur Schaffung von Testmodellen oder sogar für die Therapie herzustellen."

Stammzellexperten in aller Welt grübeln bereits über die neuen Möglichkeiten nach. "Die Studie stellt einen wichtigen Durchbruch bei der Erforschung der Umprogrammierung von Zellen dar und beweist, dass wir iPS direkt und ohne Viren-Kontaminierung erzeugen können", sagt George Daley, Harvard-Biologe und Stammzellforscher, der die Untersuchung kennt. "Das ist ein wichtiger Schritt, Transplantate aus zum Patienten passenden Zellen erreichbar zu machen."

Hochedlinger und seine Kollegen arbeiten nun an der Erhöhung der Effizienz der Adenovirus-Technik – und an der Übertragung des Ansatzes von Mäusen auf menschliche Zellen. "Wenn wir das geschafft haben, können wir wirklich überprüfen, ob embryonale Stammzellen und unveränderte iPS wirklich identisch sind. Die Antwort darauf haben wir noch nicht." (bsc)