The Basel Stem Cell Network (BSCN) Stammzellen: Heute Morgen Samstag 28. November 2009; 09.00 13.00 Uhr Kollegiengebäude der Universität Basel, Petersplatz 1, Aula
Das Basel Stem Cell Network stellt sich vor Yves-Alain Barde Professor für Neurobiologie Biozentrum der Universität Basel
http://www.baselstemcells.ch/ 28 Gruppen: Universität: Universitätsspital, Dept. Biomedicine, Biozentrum, Phil II Fakultät: Ethik, Departement Rechtswissenschaften D-BSSE (ETH Zürich in Basel) Friedrich Miescher Institut Pharmaindustrie
Warum ein Kompetenzzentrum Stammzellen? Ein zukunftsweisendes Thema der modernen Biologie Von der Grundlagenforschung bis zur klinischen Anwendung Vernetzung
Probleme Komplexe Materie, die gesetzliche Rahmenbedingungen erfordert Akzeptanz der Arbeiten mit embryonalen Stammzellen, Gegenüberstellung mit Adulten Stammzellen Versprechungen
Aussichten und Programm Anwendungen: Blut und Immunsystem Plastische Chirurgie, Prothesen Weitere Anwendungen: Haut, Bauchspeicheldrüse, Muskulatur Neue Zellkultur- und Testsysteme
Ziele Ersatz ausfallender Organfunktion Nicht Jungbrunnen oder Frischzelltherapie!
Was sind und was können Stammzellen? Aleksandra Wodnar-Filipowicz Professor für Experimentelle Hämatologie Departement Biomedizin, Unispital Basel
Was sind Stammzellen? Ein Wunder der Natur! Ein faszinierendes Forschungsobjekt!
Was können Stammzellen? Stammzellen sind zuständig für: die Aufrechterhaltung von Gewebe (Homöostase im Körper) die Reparatur von Gewebe! Stammzellen sind für den Organismus unentbehrlich
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
Embryonale und adulte Stammzellen Totipotente Stammzelle Zygote Pluripotente Stammzellen Embryonale Stammzellen Multipotente Stammzellen Adulte Gewebe-Stammzellen Neurale Muskel Leber Mesenchymale Hämopoietische
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
Pflanzliche Stammzellen Meristem (Bildungsgewebe) in: Wurzeln Spross-Spitze Knospen
Wunder der Natur Blutzellen Hautzellen Knochenmark ca. 10 4 Stammzellen Peripheres Blut 10 11 (täglich) Reife Zellen Epidermis erneuert sich alle 4 Wochen Täglich müssen 1 Billion (10 12 ) neuer Zellen auf präzise Weise nachgeliefert werden
Eigenschaften von Stammzellen Selbsterneuerung! Stammzellen: Selbsterneuerung Differenzierung Vermehrung
Stammzellforschung Die Stammzellforschung gehört zu den wichtigsten Gebieten der biologischen und medizinischen Forschung
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
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
Tumorzellen können Eigenschaften zur Selbsterneuerung erwerben Gesunde Stammzelle Tumor Stammzelle Differenzierung ist blockiert Gesundes Gewebe Tumor
Tumor-Stammzellen: Therapeutische Relevanz Chemotherapie Herausforderung: Gezielte Therapie gegen Tumor- Stammzellen Rezidiv-Gefahr Remission
Stammzellen: sind Dornröschen in unserem Körper sind Hoffnungsträger, die krankes Gewebe mit Gesundem ersetzen können sind die Basis der Regenerativen Medizin
Neues Blut aus Stammzellen: ein Blick in den Alltag Alois Gratwohl Professor für Hämatologie u. Stammzelltransplantation Unispital Basel
Blut: ein besonderer Saft Blutflüssigkeit Wasser, Nährsalze Eiweisse Botenstoffe Blutkörperchen Erythrozyten Sauerstofftransport Leukozyten Infektabwehr Thrombozyten Blutstillung
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
Idee der Knochenmarktransplantation Ersatz durch gesundes Knochenmarkes Prinzip bestätigt Problem Doppelte Barriere Abstossung Graft-versus-host Krankheit E.D. Thomas
Begriffe der Blut-Stammzelltransplantation Spendertyp Autolog, syngen, allogen HLA- identisches Geschwister, Familie, Fremdspender Stammzellquelle Knochenmark Knochenmarktransplantation Peripheres Blut Periphere Blutstammzelltransplantation Nabelschnurblut Nabelschnurbluttransplantation Transplantationsart intravenös
EBMT Activity survey on HSCT 1973-2008 Allogeneic HSCT, autologous HSCT, Teams 18000 800 Allo 16000 14000 12000 600 Auto Teams H S C T 10000 8000 6000 4000 400 200 2000 0 73 78 83 88 93 98 03 05 06 07 08 0 2008: final data The European Group for Blood and Marrow Transplantation
EBMT Activity survey on HSCT in 2008: main indications Indication Allogeneic 1st Tx. Autologous 1 st Tx. Total Leukaemias* 7596 978 8574 Lymphoproliferative 1688 13368 15056 disorders Bone marrow failures 615 2 617 Solid tumours 62 1416 1478 Non-malignant disorders 699 170 869 Others 75 26 101 Total 10735 15960 26695 * includes CLL 2008: final data
EBMT Activity survey on HSCT in 2008: non malignant disorders Indication Allogeneic 1 st Tx. Autologous 1 st Tx. Total BM aplasia SAA 444 2 446 BM aplasia Other 171 0 171 Hemoglob. Thalassemia 241 0 241 Hemoglob. Other 61 0 61 Immune deficiencies 272 1 273 Inherited dis. Metabolism 116 6 122 Auto immune 9 163 172 2008: final data
EBMT Activity Survey on HSCT 1990-2008 donor origin 100% 90% 80% 70% Family Unrelated 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 06 07 08 2008: final data
HSCT - rates in Europe 2008 Total transplants (all) per 10 million 2008 0 or no report 1-50 51-200 201-400 > 400 Final data Algeria Iran Israel Lebanon Saudi Arabia South Africa Tunisia Jordan
Global Activity Survey 2006: final data Main indications Region Allo Auto Total Leukemias 15210 (89%) 1839 17049 Lymphoproliferative 3502 (13%) 23990 27492 disorders Solid tumors 153 (5%) 2772 2925 Non Malignant 2396 (92%) 197 2593 disorders Total 21516 (43%) 28901 50417 Worldwide Network for Blood and Marrow Transplantation
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
Ursachen des Versagens Toxicity Infections GvHD Relapse Toxizität Infektionen Immunologische Reaktionen Abstossung GvHD Rezidiv The European Group for Blood and Marrow Transplantation
Neue Wege Weniger Toxizität Patienten eigen: keine Abstossung, keine GvHD Gezielter Einsatz: Stammzellen oder Einzelprodukt Keine Spenderproblematik Rekrutierung, Lagerung (Nabelschnur) Risiko Kosten
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
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!!
Knorpel und Knochen aus eigenen Zellen: Biologische statt künstliche Prothesen Ivan Martin Professor für Tissue Engineering Departement Biomedizin und Chirurgische Forschung Unispital Basel
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)
Mesenchymale Stammzellen (MSC) Selbster- neuerung Knorpelzellen Knochenzellen Fettzellen Sehnenbildende Zellen Stromazellen Muskelzellen.. Aus Knochenmark, Knorpeloberfläche, Fettgewebe
Ideales Transplantat: intelligentes Material Gewebedefekt Stimulation lokal ansässiger Zellen
Gerüste unterschiedlicher Zusammensetzung, Struktur und Funktionalität Hyaff -11 Chondro-Gide Polyactive Kein ausreichendes Wissen, um Stammzellfunktionen im Körper kontrollieren zu können
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
Perfusion von Zellen durch ein Gerüst Säen mit Perfusions-Kultur 1 mm Konzept Statisches Kultur Säen 1 mm
Können wir 3D-Perfusionskultursysteme vereinfachen?
Tissue-Culture Under Perfusion (T-CUP)
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)
Zellbasierte Knorpelreparatur Aus nasalen Knorpelzellen gezüchteter Knorpel Knorpelentnahme Zellisolierung Gezüchtetes Implantat 3D-Kultur Vermehrte Zellen
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)
Humane nasale Knorpelzellen Scherkräfte Kompression Tiermodelle Nasale Knorpelzellen scheinen für die Reparatur von Defekten des Gelenkknorpels geeignet zu sein
Osteochondrale Konstrukte Verkleben Knorpelschicht Knochenschicht
Klinische Studie III Heilung von osteochondralen Defekten im Fussgelenk Test von nasalen Knorpelzellen zur Rekonstruktion für Gelenkknorpel (Studie in Vorbereitung)
Scale-up von gezüchteten Geweben Ø 6 mm Ø 50 mm
Perspektive: in Richtung einer biologischen Prothese? 50 mm
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
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
Mesenchymale Stammzellen: Kontrolleure der Organfunktion Alan Tyndall Professor für Rheumatologie Felix Platter-Spital und Unispital Basel
Inhalt der Vorlesung Was ist eine mesenchymale Stammzelle? Was tut sie nach der Geburt? Wie können wir diese bei einer Krankheit benützen?
Was ist eine Stammzelle? Nach Teilung, eine Tochterzelle bleibt als Stamm, die andere Tochterzelle geht zur Differenzierung.
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
Die 3 grundsätzlichen Gewebetypen
Mesenchymale Stammzellen für schwere Autoimmunkrankheiten Konzept Homing am entzündeten Gewebe und danach antientzündliche Effekte Reparatur von geschädigtem Gewebe und Organen?
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)
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;106:1755-61) 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
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):1772-1784) 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):8407-8411) 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)
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):1439-1441) - 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. 12-18 month follow-up (Sun et al, Stem Cells 2009)
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
Stammzellen und Nervensystem Yves-Alain Barde Professor für Neurobiologie Biozentrum der Universität Basel
Themen Gibt es Stammzellen im Nervensystem? Meist diskutierte Anwendungen Experimente in der Kulturschale
Auch im Nervensystem gibt es Stammzellen!
Singvögel bilden immer wieder neue Nervenzellen
Auch in Säugern werden neue Nervenzellen
Neue Nervenzellen werden im Hippocampus gebildet und integriert
Im adulten Gehirn sind Stammzellen in Nischen versteckt
Meist diskutierte Anwendungen von Stammzellen im Nervensystem Krankheit von Alzheimer Krankheit von Parkinson Rückenmarkverletzung
Krankheit von Alzheimer: keine sinnvolle Indikation
Rückenmark und Nerven läsion: Auch nicht realistisch Nacimiento W, Schmitt AB, Brook GA Der Nervenarzt (1999) 70: 702-713
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
In vitro Differenzierung von embryonalen Stammzellen in Neuronen
In vitro Differenzierung von menschlichen embryonalen Stammzellen in Neuronen
Alternative zur Gewinnung von embryonalen Stammzellen: Re-programmierung Ethisch unproblematisch Patient-spezifisch
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
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