The Basel Stem Cell Network (BSCN)

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1 The Basel Stem Cell Network (BSCN) Stammzellen: Heute Morgen Samstag 28. November 2009; Uhr Kollegiengebäude der Universität Basel, Petersplatz 1, Aula

2 Das Basel Stem Cell Network stellt sich vor Yves-Alain Barde Professor für Neurobiologie Biozentrum der Universität Basel

3 28 Gruppen: Universität: Universitätsspital, Dept. Biomedicine, Biozentrum, Phil II Fakultät: Ethik, Departement Rechtswissenschaften D-BSSE (ETH Zürich in Basel) Friedrich Miescher Institut Pharmaindustrie

4 Warum ein Kompetenzzentrum Stammzellen? Ein zukunftsweisendes Thema der modernen Biologie Von der Grundlagenforschung bis zur klinischen Anwendung Vernetzung

5 Probleme Komplexe Materie, die gesetzliche Rahmenbedingungen erfordert Akzeptanz der Arbeiten mit embryonalen Stammzellen, Gegenüberstellung mit Adulten Stammzellen Versprechungen

6 Aussichten und Programm Anwendungen: Blut und Immunsystem Plastische Chirurgie, Prothesen Weitere Anwendungen: Haut, Bauchspeicheldrüse, Muskulatur Neue Zellkultur- und Testsysteme

7 Ziele Ersatz ausfallender Organfunktion Nicht Jungbrunnen oder Frischzelltherapie!

8 Was sind und was können Stammzellen? Aleksandra Wodnar-Filipowicz Professor für Experimentelle Hämatologie Departement Biomedizin, Unispital Basel

9 Was sind Stammzellen? Ein Wunder der Natur! Ein faszinierendes Forschungsobjekt!

10 Was können Stammzellen? Stammzellen sind zuständig für: die Aufrechterhaltung von Gewebe (Homöostase im Körper) die Reparatur von Gewebe! Stammzellen sind für den Organismus unentbehrlich

11 Geschichte 1908: Vorhandensein von Stammzellen wird durch Alexander Maksimov am Kongress der Gesellschaft für Hämatologie in Berlin postuliert 1960-er Jahre: Altman and Das (Purdue University, USA) entdecken, dass im adulten Gehirn neues Gewebe aus Stammzellen gebildet wird 1963: McCulloch and Till (Toronto University, Kanada) zeigen das therapeutische Potenzial von Knochenmarks-Stammzellen auf: Transplantation der Knochenmarkszellen Langfristiger Wiederaufbau des Knochenmarks

12 Embryonale und adulte Stammzellen Totipotente Stammzelle Zygote Pluripotente Stammzellen Embryonale Stammzellen Multipotente Stammzellen Adulte Gewebe-Stammzellen Neurale Muskel Leber Mesenchymale Hämopoietische

13 Wo gibt es adulte Gewebe-Stammzellen? Gehirn Knochenmark/ Blut Netzhaut/ Hornhaut Leber/ Darm Herzmuskel Haut/ Haare! Stammzellen in Organen, die sich schneller erneuern, sind mehr gefordert

14 Pflanzliche Stammzellen Meristem (Bildungsgewebe) in: Wurzeln Spross-Spitze Knospen

15 Wunder der Natur Blutzellen Hautzellen Knochenmark ca Stammzellen Peripheres Blut (täglich) Reife Zellen Epidermis erneuert sich alle 4 Wochen Täglich müssen 1 Billion (10 12 ) neuer Zellen auf präzise Weise nachgeliefert werden

16 Eigenschaften von Stammzellen Selbsterneuerung! Stammzellen: Selbsterneuerung Differenzierung Vermehrung

17 Stammzellforschung Die Stammzellforschung gehört zu den wichtigsten Gebieten der biologischen und medizinischen Forschung

18 Stammzellen - aus klinischer Perspektive Kann man Gewebe-Stammzellen im Reagenzglas vermehren? Im Prinzip nicht! In vivo: Stammzellen können transplantiert werden! Gewebe-Regeneration In vitro: Stammzellen können differenziert werden! Gewebe-Reparatur

19 Die andere Seite der Medaille: Tumor Stammzellen Das Vorhandensein von Stammzellen in Tumor-Gewebe ist seit 10 Jahren bekannt Identifiziert bei folgenden Tumoren: Blutkrebs Gehirn-Tumoren Brustkrebs Darmkrebs Eierstockkrebs Bauchspeicheldrüsenkrebs Prostatakrebs

20 Tumorzellen können Eigenschaften zur Selbsterneuerung erwerben Gesunde Stammzelle Tumor Stammzelle Differenzierung ist blockiert Gesundes Gewebe Tumor

21 Tumor-Stammzellen: Therapeutische Relevanz Chemotherapie Herausforderung: Gezielte Therapie gegen Tumor- Stammzellen Rezidiv-Gefahr Remission

22 Stammzellen: sind Dornröschen in unserem Körper sind Hoffnungsträger, die krankes Gewebe mit Gesundem ersetzen können sind die Basis der Regenerativen Medizin

23 Neues Blut aus Stammzellen: ein Blick in den Alltag Alois Gratwohl Professor für Hämatologie u. Stammzelltransplantation Unispital Basel

24 Blut: ein besonderer Saft Blutflüssigkeit Wasser, Nährsalze Eiweisse Botenstoffe Blutkörperchen Erythrozyten Sauerstofftransport Leukozyten Infektabwehr Thrombozyten Blutstillung

25 Entstehung der Blutkörperchen Blutstammzelle Selbsterneuerung Weiterausreifung Vorläuferzellen Spezialisierung Erythrozyt Lymphozyt Granulozyt/Makrophag Thrombozyt Funktionsaufnahme 250 x 10 9 /l Ez / Tag 100 x 10 9 /l Tz / Tag 25 x 10 9 /l Ez / Tag Richtige Menge, zur richtigen Zeit, in richtiger Qualität

26 Idee der Knochenmarktransplantation Ersatz durch gesundes Knochenmarkes Prinzip bestätigt Problem Doppelte Barriere Abstossung Graft-versus-host Krankheit E.D. Thomas

27 Begriffe der Blut-Stammzelltransplantation Spendertyp Autolog, syngen, allogen HLA- identisches Geschwister, Familie, Fremdspender Stammzellquelle Knochenmark Knochenmarktransplantation Peripheres Blut Periphere Blutstammzelltransplantation Nabelschnurblut Nabelschnurbluttransplantation Transplantationsart intravenös

28 EBMT Activity survey on HSCT Allogeneic HSCT, autologous HSCT, Teams Allo Auto Teams H S C T : final data The European Group for Blood and Marrow Transplantation

29 EBMT Activity survey on HSCT in 2008: main indications Indication Allogeneic 1st Tx. Autologous 1 st Tx. Total Leukaemias* Lymphoproliferative disorders Bone marrow failures Solid tumours Non-malignant disorders Others Total * includes CLL 2008: final data

30 EBMT Activity survey on HSCT in 2008: non malignant disorders Indication Allogeneic 1 st Tx. Autologous 1 st Tx. Total BM aplasia SAA BM aplasia Other Hemoglob. Thalassemia Hemoglob. Other Immune deficiencies Inherited dis. Metabolism Auto immune : final data

31 EBMT Activity Survey on HSCT donor origin 100% 90% 80% 70% Family Unrelated 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% : final data

32 HSCT - rates in Europe 2008 Total transplants (all) per 10 million or no report > 400 Final data Algeria Iran Israel Lebanon Saudi Arabia South Africa Tunisia Jordan

33 Global Activity Survey 2006: final data Main indications Region Allo Auto Total Leukemias (89%) Lymphoproliferative 3502 (13%) disorders Solid tumors 153 (5%) Non Malignant 2396 (92%) disorders Total (43%) Worldwide Network for Blood and Marrow Transplantation

34 Resultate der Stammzelltransplantation Abhängig von Spendertyp Bester Spender Eineiiger Zwilling Keine Abstossung Keine Graft-versus-host Krankheit Trotzdem weniger Rückfall EBMT The European Group for Blood and Marrow Transplantation

35 Ursachen des Versagens Toxicity Infections GvHD Relapse Toxizität Infektionen Immunologische Reaktionen Abstossung GvHD Rezidiv The European Group for Blood and Marrow Transplantation

36 Neue Wege Weniger Toxizität Patienten eigen: keine Abstossung, keine GvHD Gezielter Einsatz: Stammzellen oder Einzelprodukt Keine Spenderproblematik Rekrutierung, Lagerung (Nabelschnur) Risiko Kosten

37 Studien der Hämatopoiese an re-programmierten menschlichen Zellen Ziel und Möglichkeit Entwicklungsbiologie Unterschied Mensch andere Spezies Auswirkung definierter genetischer Mutationen Modell für Gentherapie Behandlung von Patienten mit Gendefekt Pharmakotherapie Testung von Verträglichkeit und Wirkung Transfusionsmedizin Patienten-spezifische Zellen Erythrozyten, Thrombozyten, NK-Zellen Immuntherapie Patienten-spezifische Immunzellen Stammzelltransplantation Patienten-spezifische Blut- Stammzellen

38 Schlussfolgerung Transplantation Blut bildender Stammzellen Proof of principle Ersatz versagender Organfunktion durch Stammzellen Vorläufig adulte Stammzellen; gesunde Spender Zukunftshoffnung embryonale Stammzellen Mechanismen; gezielter Einsatz Langer Weg Forschung!!

39 Knorpel und Knochen aus eigenen Zellen: Biologische statt künstliche Prothesen Ivan Martin Professor für Tissue Engineering Departement Biomedizin und Chirurgische Forschung Unispital Basel

40 Tissue Engineering (Gewebezüchtung) Definition Tissue Engineering ist die Anwendung von Prinzipien und Methoden der Ingenieurund Naturwissenschaften zur Entwicklung von Ersatzstoffen, um Gewebefunktionen wiederherzustellen, aufrechtzuerhalten oder zu verbessern. (Langer & Vacanti, 1993)

41 Mesenchymale Stammzellen (MSC) Selbster- neuerung Knorpelzellen Knochenzellen Fettzellen Sehnenbildende Zellen Stromazellen Muskelzellen.. Aus Knochenmark, Knorpeloberfläche, Fettgewebe

42 Ideales Transplantat: intelligentes Material Gewebedefekt Stimulation lokal ansässiger Zellen

43 Gerüste unterschiedlicher Zusammensetzung, Struktur und Funktionalität Hyaff -11 Chondro-Gide Polyactive Kein ausreichendes Wissen, um Stammzellfunktionen im Körper kontrollieren zu können

44 Typischer Prozess des Tissue Engineering Knochenreparatur mittels Mesenchymaler Stammzellen (MSC) Knochen Gewebeentnahme mark Zellisolierung Gezüchtetes Transplantat Kein überzeugender Erfolg Begrenzte Reproduzierbarkeit Manueller Prozess Arbeitsaufwändig TEUER! Besiedelung/Kultur in 3D-Gerüsten Vermehrte Zellen

45 Perfusion von Zellen durch ein Gerüst Säen mit Perfusions-Kultur 1 mm Konzept Statisches Kultur Säen 1 mm

46 Können wir 3D-Perfusionskultursysteme vereinfachen?

47 Tissue-Culture Under Perfusion (T-CUP)

48 Klinische Studie I Heilung von Knochendefekten im Oberarmknochen Verwendung von aus Fett isolierten, autologen Stammzellen nach einem Oberarmbruch bei Osteoporosepatienten (häufige Komplikationen) (Studie in Vorbereitung)

49 Zellbasierte Knorpelreparatur Aus nasalen Knorpelzellen gezüchteter Knorpel Knorpelentnahme Zellisolierung Gezüchtetes Implantat 3D-Kultur Vermehrte Zellen

50 Klinische Studie II Rekonstruktion des Nasenflügels nach Tumorentfernung Test der Stabilität und Sicherheit von gezüchtetem Knorpel Notwendigkeit einer GMP-Anlage (Studie eingereicht an die Swissmedic)

51 Humane nasale Knorpelzellen Scherkräfte Kompression Tiermodelle Nasale Knorpelzellen scheinen für die Reparatur von Defekten des Gelenkknorpels geeignet zu sein

52 Osteochondrale Konstrukte Verkleben Knorpelschicht Knochenschicht

53 Klinische Studie III Heilung von osteochondralen Defekten im Fussgelenk Test von nasalen Knorpelzellen zur Rekonstruktion für Gelenkknorpel (Studie in Vorbereitung)

54 Scale-up von gezüchteten Geweben Ø 6 mm Ø 50 mm

55 Perspektive: in Richtung einer biologischen Prothese? 50 mm

56 Vision für Regeneration von Geweben des Bewegungsapparates Wissen Stammzellbiologie Systembiologie Nanowissenschaft Biomedizinische Technik Regenerative Signale GMP Anlage Biologische Prothese Gezüchtete Implantate für Knorpel und Knochen Zeit

57 Danksagungen EU Framework VI AUTOBONE EU Framework VI STEPS EU Framework VII DISC ESA Multicell models SNF-KTI: 3D Cell culture bioreactor SNF-Div 3: Osteochondral composites SNF-Div 3: Engin. bone vascularization SNF-SCOPES: Cartilage TE bioreactor

58 Mesenchymale Stammzellen: Kontrolleure der Organfunktion Alan Tyndall Professor für Rheumatologie Felix Platter-Spital und Unispital Basel

59 Inhalt der Vorlesung Was ist eine mesenchymale Stammzelle? Was tut sie nach der Geburt? Wie können wir diese bei einer Krankheit benützen?

60 Was ist eine Stammzelle? Nach Teilung, eine Tochterzelle bleibt als Stamm, die andere Tochterzelle geht zur Differenzierung.

61 Pluripotent ESC Totipotent stem cells Somatic Cell Somatic stem cell Endoderm Ectoderm Mesoderm Pluripotent stem cells Germ stem cell Primitive germ cell ipc Oct4 Sox2 Klf4 c-myc Multipotent stem cell (adult, post natal) Liver Intestine Pancreas Skin Hair Nerves Blood Muscle Bone Cartilage Gametes Gametes Somatic cell

62 Die 3 grundsätzlichen Gewebetypen

63 Mesenchymale Stammzellen für schwere Autoimmunkrankheiten Konzept Homing am entzündeten Gewebe und danach antientzündliche Effekte Reparatur von geschädigtem Gewebe und Organen?

64 Homing of MSC Stromal derived factor-1 (SDF-1, CXCL12) in bone marrow and (maybe) ischemic tissue and CXCR4 on MSC. (Wynn, Blood 2004) Enzymic modification (fucosylation) increases homing ( via E-selectin ) (Sackstein, Nat Med 2008) MSC home to tumors via tumor secreted monocyte chemotactic protein -1 ( MCP-1). (Dwyer, Clin Cancer Res 2007)

65 Immunomodulation: in-vivo models Baboon skin graft - yes ( Bartholemew et al, Exp Hematol, 2002) Mouse MS model (EAE) yes (Uccelli A et al, Blood 2005;106: ) Mouse MS model (EAE) yes (Zhang J et al, Exp Neurol 2005;195:16-26)) Mouse RA model CIA - yes ( Pennesi et al, Arthritis Rheum 2007) Mouse acute GvHD model yes (Dazzi F et al) Murine diabetes - yes ( islet cell + MSC Tx) (Urban et al, Stem Cells 2008) Other e.g. SLE, colitis, CIA etc

66 Tissue injury : in-vivo models Rat kidney ischaemia/reperfusion renal failure model protects pre and 12 hours (Togel F et al, Kidney Int 2005;67(5): ) Mouse bleomycin lung fibrosis model Home to affected lung Reduce inflammation and fibrosis Most effective immediately after injury (Ortiz L et al, Proc Natl Acad Sci U S A 2003;100(14): ) Carbon tetrachloride hepatic fibrosis mouse Protect immediately, not one week later Some transdifferentiation to epthelium (Fang B et al, Transplantation 2004;78(1):83-88)

67 Immunomodulation: clinical Acute GvHD - stage IV (9-year-old boy, leukaemia) - arrested gut, skin and liver acute GvHD (Le Blanc K et al, Lancet 2004;363(9419): ) - 30/55 acute GvHD improved ( Le Blanc et al, Lancet 2008) Crohns fistulae 4 patients autologous adipose tissue derived MSC - 75% improved (Garcia-Olmo D, Dis Colon rectum 2005) Multiple Sklerose 10 cases. Intrathecal allogeneic bmmsc. Mixed results. (Moyeddin Bonab M et al, Iran J Immunol 2007) Multiple Sklerose - Allogeneic adipose vascular stromal fraction (SVF) cells and autologous MSC, IVI and intrathecal in 3 relapsing remitting cases. - improved some clinical features, MRI unchanged (Riordan et al, J Transl Med 2009) 1 case. - Allogeneic MSC. Improved (Liang J et al, Mult Scler 2009) Renal SLE 4 cases. Allogeneic bone marrow derived MSC - improved SLEDAI and proteinauria month follow-up (Sun et al, Stem Cells 2009)

68 Zusammenfassung Mesenchymale Stammzellen spielen eine wichtige Rolle bei Gewebe- und Organreparatur In vitro-versuche und Tiermodelle unterstützen das Konzept Der Effekt ist durch lokal produzierte Faktoren Beim Menschen bis jetzt keine akute Toxizität, aber noch keine langfristige Sicherheit bestätigt

69 Stammzellen und Nervensystem Yves-Alain Barde Professor für Neurobiologie Biozentrum der Universität Basel

70 Themen Gibt es Stammzellen im Nervensystem? Meist diskutierte Anwendungen Experimente in der Kulturschale

71 Auch im Nervensystem gibt es Stammzellen!

72 Singvögel bilden immer wieder neue Nervenzellen

73 Auch in Säugern werden neue Nervenzellen

74 Neue Nervenzellen werden im Hippocampus gebildet und integriert

75 Im adulten Gehirn sind Stammzellen in Nischen versteckt

76 Meist diskutierte Anwendungen von Stammzellen im Nervensystem Krankheit von Alzheimer Krankheit von Parkinson Rückenmarkverletzung

77 Krankheit von Alzheimer: keine sinnvolle Indikation

78 Rückenmark und Nerven läsion: Auch nicht realistisch Nacimiento W, Schmitt AB, Brook GA Der Nervenarzt (1999) 70:

79 Stammzellen 1. Embryonale Stammzellen sind alles Könner ( pluripotent ): aus ihnen können ALLE Zellen des Körpers entstehen. 2. Adulte Stammzellen gibt es in vielen Organen. Sie haben ein BEGRENZTES Differenzierungspotential

80 In vitro Differenzierung von embryonalen Stammzellen in Neuronen

81 In vitro Differenzierung von menschlichen embryonalen Stammzellen in Neuronen

82 Alternative zur Gewinnung von embryonalen Stammzellen: Re-programmierung Ethisch unproblematisch Patient-spezifisch

83 In vitro Re-programmierung Somatische Zellen (z.b. Hautzellen) können re-programmiert werden Re-programmierte Zellen haben die Kerneigenschaften von embryonalen Stammzellen Adulte Stammzellen wären nicht abgestossen

84 Zusammenfassung Stammzellen: ein neues, wichtiges Thema der Biologie und Medizin Re-programmierung ermöglicht völlig neue Ansätze Zelltherapie mit Stammzellen im Nervensystem ist noch ein Fernziel Zellkultur: Krankheitsmodelle, Entwicklung von Arzneimitteln Aktivierung von endogenen Stammzellen