Induzierte pluripotente Stammzelle

Grundidee, Bedeutung und Entwicklung

Induzierte pluripotente Stammzellen, kurz iPS-Zellen, sind Stammzellen, die durch künstliche Reprogrammierung aus nicht-pluripotenten somatischen Zellen, also gewöhnlichen Körperzellen, erzeugt werden. Pluripotent bedeutet, dass sie sich zu Zellen aller drei Keimblätter und damit zu sehr vielen Zelltypen des Körpers entwickeln können. Die Reprogrammierung wird durch die von außen angeregte Expression bestimmter Gene ausgelöst. Diese Gene codieren Transkriptionsfaktoren, also Proteine, die die Aktivität anderer Gene steuern.

iPS-Zellen ähneln natürlichen embryonalen Stammzellen in vielen Eigenschaften. Ob beide Zellarten in jeder Hinsicht übereinstimmen, ist jedoch ungeklärt; unter anderem kann sich ihr Phänotyp, also die Gesamtheit ihrer beobachtbaren Eigenschaften, teilweise unterscheiden. Medizinisch sind iPS-Zellen besonders interessant, weil patientenspezifische Stammzellen hergestellt werden können und ihre Erforschung weniger ethische Probleme verursacht als die Arbeit mit embryonalen Stammzellen.

2006 stellte das Team des japanischen Stammzellforschers Shin’ya Yamanaka erstmals iPS-Zellen her. 2012 erhielt Yamanaka für die Entwicklung induzierter pluripotenter Stammzellen den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin.

Erzeugung und zentrale Experimente

Die ursprüngliche Herstellung beginnt mit einer Kultur somatischer Zellen. Anschließend werden Gene für Pluripotenz mithilfe eines Retrovirus-Vektors in das Erbgut der Zellen eingebracht. Die Zellen werden unter Verwendung von Fütterzellen weiterkultiviert. Nur ein kleiner Teil wird tatsächlich zu iPS-Zellen; der Anteil erfolgreich reprogrammierter Zellen liegt häufig im Promille- oder unteren Prozentbereich.

Frühere Versuche hatten bereits gezeigt, dass embryonale Stammzellen nach der Fusion mit Körperzellen sowie Zellen nach einem somatischen Zellkerntransfer Körperzellen in einen pluripotenten Zustand zurückversetzen können. Außerdem ließ sich der Typ somatischer Zellen durch Über- oder Unterexpression einzelner Transkriptionsfaktoren verändern. Dieser direkte Wechsel eines Zelltyps heißt Transdifferenzierung.

Auf dieser Grundlage untersuchten Shin’ya Yamanaka und Kazutoshi Takahashi Fibroblasten, also Zellen des Bindegewebes, von Mäusen. Durch Transduktion – die Übertragung von DNA mithilfe eines Virus – brachten sie Gene für wichtige Transkriptionsfaktoren in das Genom ein. Von 24 untersuchten Kandidaten-Genen genügte die Kombination c-Myc, Klf-4, Oct-4 und Sox-2 zur Reprogrammierung einiger Zellen. Diese vier Gene werden als Yamanaka-Faktoren bezeichnet. Überraschend war, dass Nanog, obwohl es für die Selbsterneuerung von Stammzellen wesentlich ist, dafür zunächst nicht benötigt wurde.

Die erste Generation ähnelte natürlichen Stammzellen, konnte nach der Injektion in eine Maus-Blastozyste jedoch keine lebende Chimäre hervorbringen. Eine Blastozyste ist ein frühes Embryonalstadium; eine Chimäre besteht aus Zellen verschiedener genetischer Herkunft. Mitte 2007 gelang Yamanakas Team gleichzeitig mit zwei anderen Laboren die Erzeugung lebensfähiger Chimären. Bei dieser zweiten Generation wurde Nanog anstelle von Fbx15 zur Auswahl erfolgreich umgewandelter Zellen verwendet. Die Reprogrammierung wird unter anderem von der Entfernung der Trimethylierung des Lysins im Histon H3 an Position 27, kurz H3K27me3, begleitet.

Ende 2007 erzeugten mehrere Teams unabhängig voneinander iPS-Zellen aus menschlichen Körperzellen. Aus diesen ließen sich Zellen aller drei Keimblätter gewinnen. Ein Team aus dem Labor von James Thomson unter Leitung von Yu nutzte Oct4, Sox-2, Nanog und Lin-28. Damit zeigte es, dass auf c-Myc, ein bekanntes Protoonkogen, verzichtet werden kann.

Verbesserte und sicherere Verfahren

Nach den ersten Versuchen mit Fibroblasten wurden auch Zellen aus Blut, Leber, Gehirn, Pankreas und weiteren Geweben erfolgreich reprogrammiert. Ein wesentliches Hindernis für die klinische Anwendung ist jedoch die ursprüngliche Übertragung der Gene durch Retroviren: Sie verändert das Genom der Empfängerzelle dauerhaft und kann dadurch Krebs verursachen. Auch c-Myc ist ein Risiko. Dieses Protoonkogen ist zwar nicht zwingend notwendig, steigert aber die Effizienz der Reprogrammierung stark.

Deshalb wurden Verfahren entwickelt, die das Genom nicht dauerhaft verändern. Dazu gehören Adenoviren als Vektoren sowie Plasmide, also kleine DNA-Moleküle, die eingebracht werden können, ohne die Chromosomen der Zelle zu verändern. 2009 wurden erstmals protein-induzierte pluripotente Stammzellen, kurz piPS-Zellen, erzeugt. Dabei stellt die Zelle die benötigten Proteine nicht selbst durch Translation her. Stattdessen werden rekombinante Proteine von außen zugeführt und so verändert, dass sie die Zellmembran passieren können.

Die alternativen Verfahren sind meist deutlich weniger effizient als die stabile Übertragung der ursprünglichen vier Pluripotenzgene. Die Erzeugung von iPS-Zellen wurde von der Zeitschrift Nature Methods dennoch zur Methode des Jahres 2009 gewählt.

Mechanismus und Nachweis der Pluripotenz

Der genaue Mechanismus der Reprogrammierung ist weitgehend unverstanden. Der Prozess verläuft schrittweise über ungefähr zehn Tage und war anfangs mit einer Erfolgsrate von nur 0,05 % sehr ineffizient. Weil dieser Wert ungefähr dem Anteil natürlich vorkommender Stammzellen in einer Population von Hautzellen entsprach, wurde zunächst vermutet, dass nur seltene natürliche Stammzellen und keine vollständig ausdifferenzierten Zellen reprogrammiert würden. Später zeigte sich jedoch, dass auch vollständig ausdifferenzierte Zellen zu iPS-Zellen werden können. Bestimmte Chemikalien erhöhten die Effizienz der retroviralen Methode auf etwa 10 %. Weniger stark ausdifferenzierte Zellen könnten sich trotzdem leichter reprogrammieren lassen.

Die Reprogrammierung gilt überwiegend als stochastischer, also teilweise zufallsabhängiger Prozess. Dabei müssen epigenetische Barrieren überwunden werden. Epigenetische Veränderungen beeinflussen die Genaktivität, ohne die DNA-Sequenz selbst zu ändern. So müssen die Promotorregionen wichtiger Pluripotenzgene demethyliert und die Acetylierung der Histone verändert werden. Manche Zellen bleiben in Zwischenzuständen stecken. Grundsätzlich könnten möglicherweise alle Zellen reprogrammiert werden, wobei die dafür benötigte Zeit stark variiert.

Einen Grenzfall bilden konditional reprogrammierte Zellen. Sie können sich unbegrenzt teilen, solange Fütterzellen und der Rho-Kinase-Inhibitor Y-27632 vorhanden sind.

Der Nachweis echter Pluripotenz umfasst mehrere Verfahren:

• Beim morphologischen Nachweis werden Form und Teilungsdauer möglicher iPS-Zellen mikroskopisch mit embryonalen Stammzellen verglichen.
• Beim molekularen Nachweis vergleicht man die Transkriptionsmuster sowie die epigenetischen Methylierungsmuster bestimmter Promotorregionen.
• Beim funktionellen Nachweis werden iPS-Zellen in immundefekte Mäuse injiziert. Entstehende Teratome, also Tumoren mit Zellen aus allen drei Keimblättern, belegen die Entwicklungsfähigkeit. Nach der Injektion funktioneller Maus-iPS-Zellen in Blastozysten können außerdem lebensfähige Chimären entstehen.

Ein besonders strenger Test kombiniert Maus-iPS-Zellen mit tetraploiden Blastozysten. Diese können nur Plazentagewebe bilden, sodass der Embryo vollständig aus den iPS-Zellen stammen muss. Dieser Test wurde bei Mäusen erfolgreich durchgeführt. Bei menschlichen Zellen sind Chimärenversuche ethisch ausgeschlossen; dadurch lässt sich unter anderem ihre Neigung zur Tumorbildung schwerer untersuchen.

Medizinische Möglichkeiten und Grenzen

iPS-Zellen ermöglichen grundsätzlich die Herstellung patientenspezifischer Zellen. Weil diese vom jeweiligen Patienten selbst stammen können, könnte sich damit künftig die Immunabstoßung umgehen lassen, die bei herkömmlichen Stammzelltransplantationen auftreten kann.

Bereits hergestellt wurden iPS-Zellen von Patienten mit Amyotropher Lateralsklerose und Spinaler Muskelatrophie. Diese Zellen ließen sich zu Neuronen differenzieren. Da erkrankte menschliche Nervenzellen auf natürlichem Weg oft schwer zu gewinnen sind, können solche Zellmodelle die Untersuchung von Krankheiten im Labor erleichtern. Sie eignen sich außerdem möglicherweise zum Testen potentieller Medikamente.

Bei Mäusen konnten Transplantationen von iPS-Zellen eine Sichelzellenanämie behandeln und die Symptome der Parkinson-Krankheit lindern. Eine Anwendung beim Menschen kommt mit dem beschriebenen Stand der Technik jedoch noch nicht infrage. Zu den erheblichen Risiken gehören Teratome und andere Tumoren. Führende Forscher schätzten die therapeutische Nutzung deshalb als noch weit entfernt ein. Yamanaka hielt dagegen eine baldige weitere Verbreitung von iPS-Zellen für Krankheitsmodelle und Medikamententests im Labor für möglich.

Ethische Fragen und Kritik

Bei der Herstellung von iPS-Zellen aus Körperzellen sind weder therapeutisches Klonen noch In-vitro-Fertilisation erforderlich. Deshalb entstehen deutlich weniger ethische Probleme als bei embryonalen Stammzellen. Für den Identitätsnachweis und den Vergleich sind natürliche embryonale Stammzellen in der iPS-Forschung jedoch weiterhin unverzichtbar.

Auch iPS-Zellen werfen eigene ethische Fragen auf. Wegen ihrer vergleichsweise einfachen Herstellung könnte es künftig möglich werden, aus ihnen Gameten, also Ei- oder Samenzellen, zu gewinnen oder sie zur Erzeugung menschlicher Klone zu verwenden.

Kritisiert wurde außerdem das hohe Forschungstempo, das durch große öffentliche Erwartungen und starke Konkurrenz gefördert wird. Forschende warnten vor vorschnellen Veröffentlichungen sowie vor zu wenigen Identitätstests und Langzeituntersuchungen zur Tumorbildung. 2014 wurden zwei experimentelle Nature-Veröffentlichungen über sogenannte STAP-Zellen zurückgezogen. Diese angebliche Untergruppe von iPS-Zellen sollte allein durch äußere Reize pluripotent geworden sein; die Ergebnisse erwiesen sich jedoch als fabriziert.