Institut für Rekonstruktive Neurobiologie. Biomedizinische Anwendungen pluripotenter Stammzellen

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1 Institut für Rekonstruktive Neurobiologie Universität Bonn Biomedizinische Anwendungen pluripotenter Stammzellen Oliver Brüstle 10 Jahre Forschung mit humanen embryonalen Stammzellen Veranstaltung der Zentralen Ethik-Kommission für Stammzellenforschung (ZES) Berlin-Brandenburgische Akademie der Wissenschaften Berlin, 6. September 2012

2 Anzahl der weltweit erschienenen Original- Publikationen zu hes-zellen ( ) Anzahl der Publikationen 1027 Zahl der Publikationen Zeitraum Anzahl der weltweit in englischsprachigen Wissenschaftsjournalen veröffentlichten Originalarbeiten zu hes-zellen im Zeitraum von 2002 bis Quelle: S. Kobold, P. Löser, RKI

3 Regionale Verteilung der bis August 2012 nach dem StZG genehmigten Vorhaben nach Bundesländern Quelle: S. Kobold, P. Löser, RKI

4 Stammzellen in regenerativen Organen Haut Haarfollikel Darmepithel Knochenmark

5 Problem: Forschung an und Zellersatz in nicht regenerativen Organen

6 Gewebeentstehung während der frühen Embryonalentwicklung Waddington, C.H. ( )

7 Meilensteine der Stammzellforschung Embryonale Stammzellen (ESZ): Gewinnung somatischer Zellen in unbegrenzter Zahl Untersuchung krankheitsspezifischer Mutationen in einem authentischen humanen Zellsystem Induziert pluripotente Stammzellen (ipsz): Zugang zu krankheits- und patientenspezifischen Zellen Direkte Konversion (Transdifferenzierung): Zellumwandlung ohne pluripotentes Zwischenstadium Korrelation des zellulären Phänotyps mit der individuellen Krankengeschichte Physiologische Expressionslevel krankheitsrelevanter Gene Blinder Zugang zu genetisch komplexen Erkrankungen Schnelle, direkte Gewinnung krankheits- und patientenspezifischer Zellen Effizienz?

8 Differenzierung von ES-Zellen in gewebespezifische Zellen: Gibt es ein stabiles Zwischenstadium? hesc hnsc hn

9 Langzeit-selbsterneuernde neuroepitheliale Stammzellen (lt-nes-zellen) aus hes-zellen Koch et al., PNAS, 2009

10 Humane ES-Zell-abgeleitete Neurone betaiii-tubulin GABA merge GABA/ GAD67 Serotonin vglut days of differentiation

11 Mögliche Anwendungsgebiete embryonaler Stammzellen in der Biomedizin! Zellersatz! Zell-vermittelter Gentransfer! Tissue Engineering! Etablierung von Krankheitsmodellen! Pharmakologische und toxikologische Untersuchungen! Teratogenitäts-Studien! Gene discovery! Entschlüsselung entwicklungsbiologischer Programme! Entschlüsselung von Signalen für die Umprogrammierung adulter Stammzellen

12 Transplantation ES-Zell-abgeleiteter Nervenzellen Beispiel: Parkinson

13 Medikamententestung an aus Stammzellen gewonnenen menschlichen Nervenzellen Beispiel: Alzheimer Koch, Tamboli, Mertens et al., Am J Pathol 2012

14 Mögliche Anwendungsgebiete embryonaler Stammzellen in der Biomedizin! Zellersatz! Zell-vermittelter Gentransfer! Tissue Engineering! Etablierung von Krankheitsmodellen Bevorzugt: Patienten-eigene (autologe) Zellen! Pharmakologische und toxikologische Untersuchungen! Teratogenitäts-Studien! Gene discovery! Entschlüsselung entwicklungsbiologischer Programme! Entschlüsselung von Signalen für die Umprogrammierung adulter Stammzellen

15 Autologe pluripotente Stammzellen mittels Zellreprogrammierung Die kombinierte Expression weniger Transkriptionsfaktoren (c-myc, Klf4, Sox2 and Oct3/4) induziert Pluripotenz in adulten Fibroblasten aus der Haut.

16 Herstellung humaner ips-zellen aus Hautfibroblasten Fibroblast culture from skin biopsy Retroviral transduction egfp After 3 weeks: 5-35 colonies / 10*5 adult dermal fibroblasts

17 Herstellung von Gehirnzellen aus reprogrammierten Hautzellen nestin Sox2 Dach1 beta III-tubulin beta III-tubulin/ GFAP Falk, Koch et al., PLoS ONE 2012

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19 N Ataxin 3 CAG C

20 Induziert pluripotente Stammzellen (ips-zellen) als Spenderquelle für autologen Zellersatz

21 Therapie genetisch bedingter Erkrankungen mittels ips-zellen Hanna et al., Science 2007

22 Direkte Konversion somatischer Zelltypen Waddington, C.H. ( )

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24 Direkte Zellkonversion: Eine Frage der Effizienz

25 Effiziente neuronale Konversion humaner Fibroblasten mittels niedermolekularer Wirkstoffe A, Ascl1; N, Ngn2; Z, Zic1; O, Olig2; M, MyT1L; B, Brn2; CHIR: GSK-3β inhibitor CHIR99021; SB: SMAD (ALK5) inhibitor SB Ladewig et al., Nature Methods 2012

26 Schlußfolgerungen 1. Aus embryonalen Stammzellen lassen sich stabile somatische Stammzellen und funktionelle gewebespezifische Zellen gewinnen. 2. Mit Hilfe der Zellreprogrammierung erzeugte induziert pluripotente Stammzellen (ips-zellen) erlauben die Gewinnung von gewebespezifischen Zellen vom selben Patienten.

27 Schlußfolgerungen 3. Zelluläre Krankheitsmodelle und darauf aufbauendes Wirkstoff-Screening werden die ersten Anwendungsgebiete pluripotenter Stammzellen sein. 4. Neben dem klassischen Zellersatz stellen Stammzellvermittelte Gentherapie und funktionell modulierende Transplantate alternative Anwendungen für die Stammzelltransplantation dar.

28 Warum brauchen wir weiterhin die Forschung an embryonalen Stammzellen? Die Vergleichbarkeit ESZ- und ipsz-abgeleiteter sowie direkt umprogrammierter Zellen ist derzeit unklar. Primär auf epigenetischen Mechanismen beruhende Erkrankungen sind mit reprogrammierten Zellen möglicherweise nicht hinreichend modellierbar. Die gängigen Reprogrammierungsverfahren bergen das Risiko von epigenetischen Aberrationen, Mutationen und Tumorentstehung. Im Rahmen des natürlichen Alterungsprozesses akquirierte genetische Veränderungen bleiben von der Reprogrammierung weitgehend unberührt. Die beste ips-zelle wird niemals so gut sein wie eine ES-Zelle! ES-Zellen sind weit mehr als ein Gold Standard für die Forschung an pluripotenten Stammzellen. Für therapeutische Anwendungen stellen ES-Zellen derzeit die sicherere pluripotente Zellquelle dar. Die Frage nach der,besten Stammzelle ist veraltet. Zukünftig werden abhängig von der jeweiligen Applikation verschiedene Stammzellquellen parallel eingesetzt werden.

29 Publikationen zu hes und hips-zellen ( ) Zahl der Publikationen hes-zellen hips-zellen hes- und hips-zellen Jahr Anzahl von wissenschaftlichen Originalpublikationen zu hes und hips-zellen von 2009 bis 2011 in der englischsprachigen wissenschaftlichen Literatur. Angegeben ist jeweils auch die Zahl jener Arbeiten, in denen hips-zellen und hes-zellen bzw. aus hes-zellen abgeleitetes Material verwendet wurde. Quelle: S. Kobold, P. Löser, RKI

30 Erste klinische Studien mit humanen ES-Zellen bei Patienten mit Makuladegeneration The Lancet, January 23, 2012 DOI: /S (12)

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