Biotechnologiebeauftragter des Landes Hessen, anlässlich der Veranstaltung Regenerative Medizin Fragen aus Biotechnologie, Medizin, Recht

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1 Cai et al; licensee BioMed Central Ltd./ bmp von Dr. Corinna Volz-Zang Sie sind in aller Munde und sie sind umstritten: regenerative Stammzellforschung und regenerative Medizin. Denn spätestens, wenn es um embryonale geht, streiten sich die Geister um die Frage, ob eine solche Forschung ethisch ist und ab welchem Zeitpunkt Embryonen geschützt werden müssen. Wie schwer sich unsere Gesellschaft und Politiker mit dem Thema embryonale tun, wird deutlich, wenn man einige Eckdaten der Diskussion um die Genehmigung der Forschung an embryonalen betrachtet. Eine Zusammenfassung präsentierte Prof. Theodor Dingermann, Institut für Pharmazeutische Biologie, Biozentrum Frankfurt und Biotechnologiebeauftragter des Landes Hessen, anlässlich der Veranstaltung Regenerative Medizin Fragen aus Biotechnologie, Medizin, Recht und Ethik der DECHEMA (Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.v.) im März dieses Jahres in Frankfurt (siehe Seite 22). Adulte viel mehr Subtypen als gedacht Im Laufe der letzten Jahre wurden immer mehr adulte Stammzelltypen bzw. Vorläuferzellen und zahlreiche Subtypen identifiziert und es wurde nachgewiesen, dass nicht nur das Knochenmark, sondern auch die meisten Organe und Gewebe oder Vorläuferzellen besitzen (Abb. 2). Auch wenn in kardialen Geweben bisher keine Stammzellnischen nachgewiesen wurden, so fanden sich doch kardiale Vorläuferzellen im rechten Vorhof menschlicher Neonaten, die zu Myozyten differenzieren können [1]. Allerdings dämpft Prof. Jürgen Hescheler, Direktor des Instituts für Neurophysiologie des Universitätsklinikums Köln und einer der ersten Wissenschaftler, die in Deutschland mit embryonalen geforscht haben, Hoffnungen, diese Zellen in Kultur bringen und für Zelltherapien nutzen zu können. Denn adulte vermehren sich zu langsam und dieses Problem wird man möglicherweise auch nie in den Griff bekommen. So ist es bisher nicht gelungen, hämatopoetische zu frühen Herzzellen vorzudifferenzieren und mit allen Zellen, die wir im Herzen finden, haben wir auch nicht die Möglichkeit, genügend Zellmengen herzustellen, sodass im Moment noch kein Weg an den embryonalen vorbeiführt. Ausgehend von der Totipotenz, die eine Differenzierung der Zellen in jede der etwa 270 Zelltypen eines menschlichen Organismus erlaubt, nimmt im Laufe der Embryonalentwicklung die Potenz immer mehr in Richtung Pluripotenz und Multipotenz ab. Welche Vorgänge hierbei ablaufen und wie die Koloniebildung eine wichtige Eigenschaft embryonaler gesteuert

2 19 A B enukleirte Eizelle somatische Zelle Zellkerntransfer Biopsie somatischer Zellen Transplantation in den Patienten Zellprodukt wird, welche Signalübertragungsmechanismen in Gang gesetzt werden und wie sie gesteuert werden all dies sind Fragen, die derzeit intensiv untersucht werden. Autologe embryonale für die Therapie Die Idee, embryonale in den gewünschten Zelltyp zu differenzieren, entsprechend große Gewebeverbände oder Organteile zu züchten und zu implantieren, ist verlockend. Damit aber nicht wie bei einer allogenen Organtransplantation eine lebenslange Immunsuppression notwendig wird, gilt es, die embryonalen in patienteneigene Zellen umzuprogrammieren. Dabei handelt es sich im Grunde um eine Reprogrammierung somatischer Zellen, d.h., somatische Zellen werden in das ganz frühe embryonale Stadium zurückgesetzt. Das vorherrschende Verfahren, das therapeutische Klonen, ist in Deutschland bisher nicht erlaubt. Bei diesem Verfahren, auch als Kerntransfer oder SCNT (Somatic cell nuclear transfer) bekannt, wird in eine entkernte (Spender-)Eizelle ein somatischer Zellkern des Empfängers (des Patienten) eingeführt und durch diesen Transfer der Zellkern der somatischen Zelle quasi wieder auf Null in den embryonalen Zustand zurückgesetzt. Es entwickelt sich eine Blastozyste, aus der gewonnen werden können, die vom Patienten nicht mehr abgestoßen + totipotente Zellen embryonale Differenzierung werden also patientendesignte, erläuterte Hescheler. Blastozyste Das andere Verfahren ist ein Fusionsverfahren, bei dem die adulte somatische Zelle mit einer kultivierte pluripotente embryonalen Stammzelle fusioniert. Auch hier kann es zu einer Reprogrammierung kommen (Abb. 1). Aus derartig erzeugten embryonalen fusionsbasierte Reprogrammierung des Patienten könnten gezielt die gewünschten Zellen (beispielsweise Herzzellen) differenziert und transplantiert werden. Zwar sind Therapien Zellbank mit Hilfe embryonaler noch nicht wirklich greifbar, doch für eine andere Anwendung lassen sie sich nach Aussagen von Hescheler schon jetzt nutzen: für das Screening von Arzneimitteln. Hescheler berichtet darüber hinaus von einer weiteren Einsatzmöglichkeit, auch wenn es sich dabei wieder um Zukunftsmusik handelt: die Nutzung embryonaler als Transporter für Gentherapien. Während nämlich bei der herkömmlichen Gentherapie mit einem Virus mit eingebautem Vektor aufgrund mangelnder Spezifität häufig erhebliche Nebenwirkungen in Kauf genommen werden müssen, ließe sich in autologe über Gentherapie beispielsweise ein fehlendes Gen einbauen, daraus dann gezielt der gewünschte Zelltyp differenzieren und diese differenzierten Zellen an den erwünschten Zielort transplantieren. Erfolgreich wurde dies bei Rag(-/-)-Mäusen gezeigt, die unbehandelt eine Immundefizienz entwickelten [2]. Abbildung 1: Reprogrammierung somatischer Zellen durch a) Kerntransfer oder durch b) Fusion mit einer embryonalen Stammzelle mod. nach Vortrag Prof. Jürgen Hescheler Abbildung 2: Adulte Stammzelltypen

3 20 Risiko der Entstehung stammzellinduzierter Teratome vermeidbar? Undifferenzierte sind per Definition teratogen. Und da das Risiko der Tumorentstehung mit der Zeit zunimmt, ist gerade für mögliche Therapieoptionen bei Kindern das Risiko der Entstehung von Teratokarzinomen ein großes Problem. Hier haben wir einen genetischen Trick entwickelt, um zu verhindern, dass undifferenzierte embryonale transplantiert werden, berichtet Hescheler stolz. Sollen beispielsweise Stichtagregelung embryonaler Die Stichtagregelung, die in Deutschland nur die Einfuhr embryonaler Stammzelllinien erlaubt, die bis zum hergestellt wurden, wurde mit dem Ziel erlassen, dafür zu sorgen, dass von Deutschland keine Initiative ausgeht, Stammzelllinien zu erzeugen. Dies führt nach Einschätzung von Wissenschaftlern wie Prof. Hescheler dazu, dass die Stammzellforschung in Deutschland immer mehr ins Hintertreffen gerät, weil die hier erlaubten Zelllinien als obsolet gelten. Der Grund hierfür ist, dass neuere Methoden es ermöglichen, stabilere Zelllinien zu generieren und zu kultivieren. Aktuell gibt es einen Vorstoß, den Stichtag um zwei Jahre zu verschieben allerdings wird damit das Problem nur verschoben. In den meisten europäischen Ländern sind derartige Beschränkungen inzwischen aufgehoben worden. Da dies in Deutschland derzeit nicht realisierbar ist, favorisieren die Stammzellforscher eine nachlaufende Stichtagregelung: Damit auch weiterhin von Deutschland keine Initiative ausgeht, Stammzelllinien zu erzeugen, soll nur die Einfuhr solcher Stammzelllinien erlaubt werden, die mindestens zwei Jahre alt und im Ausland ohne deutsche Beteiligung hergestellt worden sind. Tabelle: Klinischer Bedarf regenerativer Ersatz gewebe Farbig sind die Organsysteme dargestellt, bei denen bereits solche regenerativen Ansätze in klinische Therapien mit eingeflossen sind, wenn auch in sehr unterschiedlichen Stadien mit sehr unterschiedlichen Techniken. Herzzellen transplantiert werden, wird an einen herzspezifischen Promotor ein Antibiotikaresistenzgen (z.b. gegen Neomyzin) angeheftet. Dieser Genabschnitt wird in die Stammzelle eingebaut, aus der sich die verschiedenen Zelltypen zu differenzieren beginnen. Man hat also Hunderte verschiedener Zelltypen, aber auch immer noch undifferenzierte, die zwar abnehmen, aber noch vorhanden sind, erklärt Hescheler. Wird jedoch das Zellgift Neomyzin zugegeben, überleben nur noch die differenzierten Herzzellen. Diese können ohne Risiko übertragen werden, denn zur Tumorentwicklung kommt es nur dann, wenn undifferenzierte embryonale als Verunreinigung der Zellpopulation enthalten sind. Ich bin mir zu 100 Prozent sicher, dass wir über dieses Linienselektionsverfahren die Tumorgenität ausschalten können, auch wenn das Verfahren noch auf die humane Stammzelle übertragen werden muss, betont Hescheler. Imprinting wie wird es durch die Kernfusion verändert? Kommt es unter physiologischen Bedingungen zu einer Befruchtung einer Eizelle durch eine Samenzelle, finden nach den bisherigen Erkenntnissen umfangreiche Demethylierungsprozesse statt, denn Ei- und Samenzelle haben bestimmte Funktionen, die auch durch ein entsprechendes Imprinting, also Methylierungen auf der DNA, definiert sind. Diese Demethylierungsprozesse führen zu einer Reprogrammierung, quasi zu einer Nullung des Imprinting. Nach Implantation in die Gebärmutter und bei zunehmender Differenzierung werden die Methylierungsprozesse wieder hochgefahren das Imprinting des neuen Organismus findet statt. Eine wichtige noch ungeklärte Frage ist, wie durch den Kerntransfer diese Imprintingprozesse beeinflusst werden. Regenerative Medizin in der Pädiatrie Wahrscheinlich die größte Indikation für regenerative Therapien in der Pädiatrie wird der juvenile Diabetes werden, mutmaßt Hescheler. Aber auch im Bereich der Kardiologie sieht er Anwendungsmöglichkeiten zur Behandlung angeborener Herzkrankheiten wie Ductus Botalli oder beispielsweise von Arrhythmien, bei denen sich mit möglicherweise die elektrische Homogenität verbessern ließe. Einer, der bereits regenerative Therapien in der pädiatrischen Kardiologie umsetzt, ist Prof. Dr. Axel Haverich, Direktor der Herz-, Thorax- und Gefäßchirurgie in der Medizinischen Hochschule in Hannover und renommierter Herz-/Lungenchirurg. Anlässlich der DECHEMA-Veranstaltung machte er zwar gleich zu Beginn deutlich, dass er keine eindeutige Prognose wage, wann die regenerative Medizin klinischer Alltag werde. Ich denke aber, dass wir solche regenerativen Verfahren in den nächsten fünf, zehn oder zwanzig Jahren umsetzen werden, da es bereits hervorragende Daten aus Tiermodellen gibt. So ließ sich beispielsweise bei Ratten und Mäusen mit künstlich erzeugten Querschnittsläsionen durch Implantation embryonaler bereits eine fast vollständige Heilung der Querschnitte erzielen. Haverich sieht in der Pädiatrie wichtige Einsatzgebiete der regenerativen Verfahren neben der Kardiologie und Diabetologie beispielsweise beim Knochenersatz bei Skelettfehlbildungen, bei Harnleiter- oder Darmersatz. Haverich erläuterte, dass die regenerative Medizin sowohl die durch KLINISCHER BEDARF Neurologie (Schlaganfall, Trauma, Degeneration) kardiovaskulär (Herzinfarkt, Herzklappen, Gefäße) muskulo-skelettal (Knochen, Gelenke, platische Chirurgie) Viszeralchirurgie (Leber, Pankreas, Darm) urogenital (Niere, Harnleiter, Blase, Uterus?) pulmonal (Trachea, Bronchus, Lunge)

4 21 Zelltransplantation induzierte Unterstützung der endogenen Erneuerung von Zellen und Geweben, das Tissue Engineering, also die Gewebetransplantation sowie die Transplantation hybrider Organe, das sind zellbesiedelte bioartifizielle Strukturen, umfasst. Ein Beispiel für die induzierte Verbesserung der endogenen Gewebeerholung ist die Gabe von Knochenmarkszellen in das verschlossene Herzkranzgefäß bei Herzkatheteruntersuchungen von Patienten. Verschiedenen Untersuchungen zufolge führt dies zu einer verbesserten Herzmuskelfunktion im Vergleich zur Vergleichsgruppe. Und dies, obwohl keine der implantierten Zellen zu einer Herzmuskelzelle geworden war, betonte Haverich. Wie dies vermittelt wird und welche Substanzen daran beteiligt sind, ist bisher völlig unklar. Der Effekt selbst gilt inzwischen aber als gesichert. Tissue Engineering Dass sich aus tatsächlich ganz unterschiedliche Zelltypen differenzieren lassen, demonstrierte Haverich eindrucksvoll am Beispiel einer Apparatur, mit der es möglich ist, aus einer hämatopoetischen Stammzelle bei geeigneter Temperatur und ständigem Zug Herzgewebe zu erzeugen, dagegen bei hohem Druck Knochengewebe. Wurden die gleichen dagegen einem pulsatilen Strom ausgesetzt, differenzierten sie in Endothelzellen. Für das Tissue Engineering müssen jedoch nicht nur gewebespezifische Zellen gezüchtet werden, es wird auch eine geeignete Matrix als Träger benötigt. Zwar gibt es eine Reihe synthetischer Materialien, die als Startermatrix für das Tissue Engineering genutzt werden. Haverich sieht die Zukunft aber vor allem in natürlichen extrazellulären Matrizes. Aber auch dies allein ist schon ein großes Forschungsfeld, denn die Matrix selbst hat ebenfalls Einfluss auf das Zellgeschehen: Wir mussten lernen, wie sich auf einer solchen Zellmatrix das Zellwachstum ändert, wie sich über die Veränderung der Matrix oder über Veränderungen der Zellen Effekte ergeben. Auch haben wir gelernt, dass sich bestimmte Zellen auf einer bestimmten Matrix integrieren und andere nicht. Wie eine natürliche Matrix ohne eigene immunogene Wirkung hergestellt werden kann, erläuterte Haverich am Beispiel einer Herzklappe. Werden aus der Herzklappe eines Schafes A (Spender) alle Zellkerne entfernt und die Zellen zerstört, entsteht eine nicht mehr immunogene Matrix. Wird sie nun mit endothelialen Vorläuferzellen von Schaf B (Empfänger) beschichtet, entsteht eine Herzklappe für Schaf B, die nicht abgestoßen wird. Herzklappen erfolgreiches Tissue Engineering bei Kindern Nachdem Haverich und Kollegen festgestellt hatten, dass diese implantierten Herzklappen in den Schafen tatsächlich mitgewachsen waren, wurde dieses Verfahren auf humane Herzklappen übertragen. Im Mai 2002 erhielten erstmalig zwei Kinder, die bereits Zweit- bzw. Drittoperationen hatten (da synthetische Herzklappen nicht mitwachsen) in Hannover derartig entwickelte Herzklappen, die seither mit den Patienten mitwachsen [3] (Abb. 4). Mittlerweile sind weitere 16 Kinder von Haverich und Kollegen operiert worden. Inzwischen wurden Methoden entwickelt, mit denen eine Gefäßversorgung von Gewebeverbänden größerer Schichtdicken möglich ist, sodass es vorstellbar ist, das Tissue Engineering für den Herzmuskelersatz zu nutzen. Dies könnte bedeuten, dass bei Patienten, bei denen nach einem Herzinfarkt (nur) ein Teil des Herzens defekt ist, über diese rekonstruktiven Verfahren der defekte Teil des Herzmuskels wieder seine Funktion aufnehmen kann. Das hätte zur Folge, dass mehr Spenderherzen für die verbleibenden Patienten vorhanden wären, für die regenerative Methoden nicht in Frage kommen. Nach Haverichs Einschätzung spielt das therapeutische Klonen für die Zukunft eine entscheidende Rolle. Ich spreche hier auch als Transplantationsmediziner, der die Langzeitfolgen der Immunsuppression kennt, wir sollten diese Möglichkeit unbedingt nutzen. Ich spreche nicht nur vom Überleben der Patienten, sondern auch von der Verbesserung der Lebensqualität. Für die Zukunft sieht er die Entwicklung der öffentlichen Diskussion optimistisch: Wenn wir in der Lage sind zu zeigen, dass wir mit solchen klonierten Zellen tatsächlich therapeutische Erfolge erzielen können, im Tierexperiment und später beim Patienten wegen der Gesetzeslage vielleicht nicht in Deutschland, dann werden auch die Ethiker ihre Meinung zu dem Verbot des kompletten Klonens ändern. Literatur 1. Pillekamp F. et al.: Stem cells and their potential relevance to paediatric cardiology. Cardiol Young Apr; 16(2): Rideout WM et al.: Correction of a genetic defect by nuclear transplantation and combined cell and gene therapy. Cell Apr 5; 109(1): Cebotari S et al.: Clinical application of tissue engineered human heart valves using autologous progenitor cells. Circulation Jul 4; 114(1): I Abbildung 3: Bioreaktor Abbildung 4: Tissue Engineering: Kinder mit Herzklappen

5 22 Einige Eckdaten der Stammzelldiskussion in Deutschland 1997: Auf Initiative des Präsidiums der DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft) wird die Einrichtung des Programms Bioethik beschlossen. Dezember 1998: Das Präsidium der DFG setzt eine Arbeitsgruppe zum Thema Humane embryonale ein. März 1999: Die DFG kündigt in der 1. Stellungnahme zu Humanen embryonalen an, gezielt auch solche Projekte zu fördern, die alternativ das Potenzial adulter erforschen : Ein Berater-Gremium des DFG befürwortet den Antrag von Prof. Brüstle zur Forschung an importierten menschlichen : Bundeskanzler Gerhard Schröder setzt den Nationalen Ethikrat ein : Der Hauptausschuss der DFG beschließt, die Entscheidung über Brüstles Antrag zu vertagen : Bundespräsident Johannes Rau warnt in einer Rede, die Forschung an embryonalen überschreite ethische Grenzen : Der Präsident des Deutschen Bundestages, Wolfgang Thierse, bittet die DFG, den Vorrang der parlamentarischen Beratung zu achten und die Entscheidung der DFG über den Antrag von Prof. Brüstle erst danach zu treffen : Der Nationale Ethikrat spricht sich für den Stammzellimport aus. DFG-Präsident Winnacker vertagt erneut die Entscheidung über den Antrag von Oliver Brüstle. Dezember 2001: Vier Positionen werden vom Nationalen Ethikrat zur Diskussion gestellt: 1. Die Stammzellgewinnung aus überschüssigen Embryonen aus Deutschland und eine entsprechende Lockerung des Embryonenschutzgesetzes. 2. Den Import embryonaler aus dem Ausland bei Wahrung der gegenwärtigen Gesetzeslage. 3. Ein Moratorium zur Klärung offener Forschungsfragen. 4. Das Verbot des Imports : Wissenschaftsorganisationen sprechen sich dafür aus, die bestehende rechtliche Zulässigkeit des Imports embryonaler unter strengen Auflagen aufrechtzuerhalten : Der Hauptausschuss der DFG bewilligt den Antrag von Oliver Brüstle. Bis zur Vorlage der erforderlichen Genehmigungen bleiben die Fördermittel allerdings gesperrt : Ein gemeinsamer Gesetzentwurf von CDU, SPD und Grünen wird vorgestellt. Danach sind Import und Verwendung von grundsätzlich verboten. Ausnahmen: - Nur embryonale, die bis zum hergestellt wurden, dürfen eingeführt werden. - Die müssen aus Embryonen stammen, die zur Herbeiführung einer Schwangerschaft entstanden sind und nicht implantiert wurden. - Die Einwilligung der Spender muss vorliegen, es darf kein Honorar gezahlt werden. - Die Forscher müssen begründen, weshalb sie keine adulten oder aus Nabelschnurblut oder von Tieren einsetzen können. - Der Antrag muss von einer neuen, zentralen Ethikkommission begutachtet werden : Der Gesetzentwurf wird verabschiedet : Die Enquete-Kommission Recht und Ethik der modernen Medizin des Bundestags stimmt mehrheitlich gegen die Präimplantationsdiagnostik (PID) in Deutschland : Das Kabinett verabschiedet die noch fehlende Rechtsverordnung zum Stammzellgesetz. Das Robert- Koch-Institut ist künftig für die Anträge auf Stammzellimporte zuständig : Nach jahrelangem Streit genehmigt das Robert-Koch-Institut (RKI) den Forschern Brüstle (Bonn) sowie Hescheler (Köln) die Einfuhr der umstrittenen Zellen : Der Nationale Ethikrat spricht sich mehrheitlich für die Präimplantationsdiagnostik aus : Bundesjustizministerin Zypries (SPD) rückt in einer viel beachteten Rede an der Humboldt-Universität von der bisherigen Position des Justizministeriums ab, im Reagenzglas erzeugten Embryonen den vollen Schutz der Menschenwürde zuzuerkennen : Der UN-Rechtsausschuss vertagt eine Entscheidung über ein Klonverbot mit 80 zu 79 Stimmen um zwei Jahre. Auch Deutschland stimmt der Vertagung zu : Das EU-Parlament beschließt nach heftigen Debatten die umstrittene Förderung der Forschung an embryonalen, hat in dieser Frage allerdings kein Mitbestimmungsrecht. Sein Votum gilt aber als wichtiges Signal an den EU-Ministerrat : Der Nationale Ethikrat empfiehlt, das Klonen zu Forschungszwecken (therapeutisches Klonen) in Deutschland zum gegenwärtigen Zeitpunkt nicht zu erlauben : Die UN-Vollversammlung lehnt mehrheitlich jede Form des Klonens beim Menschen ab, das Klonen zur Herstellung von soll international geächtet werden. Der Beschluss ist jedoch völkerrechtlich nicht bindend. Viele Länder darunter Großbritannien, Schweden, Frankreich, China und Indien lehnen den Beschluss ab : Auch mit deutschen Stimmen entscheidet sich eine knappe Mehrheit der Europa-Parlamentarier gegen den Willen der Großen Koalition in Berlin für eine Forschung unter Verwendung menschlicher, sowohl adulter wie embryonaler, wobei die jeweils rechtlichen Bedingungen des interessierten Mitgliedsstaates gelten sollen : Der EU-Ministerrat findet einen Kompromiss zur EU-Förderung der Stammzellforschung. Künftig kann die Forschung mit Stammzelllinien mit EU-Geld gefördert werden, die Zerstörung von Embryonen zur Erzeugung neuer Kulturen jedoch nicht. Dem Kompromiss muss das EU-Parlament noch zustimmen. Prof. Theodor Dingermann

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