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Nr. 85, 23.01.2016  voriger  Übersicht  weiter  REIHEN  SUCHE 

Zellselektion nach dem Google-Prinzip

Stammzellen unterschiedlicher Qualität müssen sicher voneinander unter­schie­den werden. Dr. Franz-Josef Müller, Mitglied im Exzellenzcluster »Entzün­dungsforschung«, hat ein Computerprogramm entwickelt, das »gute« von »schlechten« Stammzellen unterscheiden kann.


Aus menschlichen pluripotenten Stammzellen generierte Nervenzellen, hier grün eingefärbt. Blau eingefärbt sind die Zellkerne. Foto: Kemimer

In seinem Labor an der Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie kultiviert Dr. Franz-Josef Müller ganz besondere Zellen, sogenannte induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen). Pluripotent bedeutet »zu vielem mächtig«, und das wiederum heißt, iPS-Zellen können sich in die verschiedensten Zelltypen des Körpers differenzieren. Diese Zellen sind universell einsetzbar, ähnlich wie embryonale Stammzellen. Sie werden aber aus Körperzellen, etwa aus der Haut, hergestellt. Hierfür wird die reife Zelle in ein früheres Entwicklungsstadium zurückversetzt (reprogrammiert).

»Mit unserer Qualitätskontrolle und der daraus resultierenden verbesserten Nutzung von Stammzellen könnte man potenzielle Wirkstoffe schon in einem sehr frühen Stadium beispielsweise auf ihre Toxizität testen.«


Die zentrale Herausforderung bei der Reprogrammierung von Körperzellen zu iPS-Zellen ist die Qualitätskontrolle. Denn in Zellkulturen gedeihen häufig jene Zellen besonders gut, die unerwünscht sind: Krebszellen. Um die künstlich erzeugten Stammzellen einwandfrei zu charakterisieren, ist bisher ein Tierversuch notwendig. Die Stammzellen werden dazu in gentechnisch veränderte Mäuse injiziert und im Laufe von zwei Monaten bildet sich ein komplexer menschlicher Tumor. Diese Teratome genannten Geschwulste entstehen aus den injizierten pluripotenten Stammzellen. Deshalb enthalten Teratome auch Nerven-, Knorpel- und Drüsengewebe, weil sich Stammzellen innerhalb des Tumors zu diesen Zelltypen entwickeln können. Entsteht in der gentechnisch veränderten Maus ein Teratom, dann sind damit die Pluripotenz und sozusagen die besondere Qualität der Zellen bewiesen.

Psychiater und Neurobiologe Franz-Josef Müller.
Foto: Tebke Böschen / CAU

Der Psychiater und Neurobiologe Müller entwickelte zusam­men mit seiner amerikanischen Kollegin Dr. Jeanne Loring vom Scripps Research Institute in Kalifornien ein Computer­pro­gramm namens »PluriTest«, um die Pluripotenz von Stamm­zellen alternativ nachzuweisen. Das Programm basiert auf den genetischen Daten von mehr als 6.000 Stammzellproben, die Müller und seine Kollegin in den vergangenen zehn Jahren analysiert haben und von denen bekannt ist, dass sie pluripotent sind. Die spezifischen Eigenschaften dieser iPS-Zellen bilden eine Art Lexikon, mit dem man neue Daten vergleichen kann.

»Wir nutzen das sogenannte Sequenzieren der nächsten Generation, messen also, ob Gene in den iPS-Zellen aktiv oder inaktiv sind«, sagt Müller. »Wenn wir neue genetische Aktivitätsmuster von iPS-Zellen mit unserem Lexikon vergleichen, können wir sicher sagen, ob eine Zelllinie qualitativ einwandfrei und für die weitere Nutzung geeignet ist. In unserem Programm nutzen wir übrigens einen ähnlichen Suchalgorithmus wie Google. Die gemessenen genetischen Daten von iPS-Zellen, die eine Nutzerin oder ein Nutzer ins System eingibt, entsprechen dem Suchbegriff. Diese werden auf dem Server analysiert, denn PluriTest ist ein offen zugängliches Programm, und anschließend erhält man eine Antwort: Zellen sind geeignet oder nicht.«

Seit Oktober erhalten Müller, seine amerikanische Kollegin und Projektpartner am Fraunhofer IME ScreeningPort in Hamburg eine gemeinsame Förderung durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung sowie durch das California Institute for Regenerative Medicine von insgesamt 3,4 Millionen Euro für die Weiterentwicklung des bereits bestehenden Programms. Ziel ist, die so wichtige Qualitätskontrolle in der Stammzellenforschung weiter zu verbessern. Denn diese Technologie verspricht gerade auch für die Entwicklung von individuellen Therapiekonzepten, der sogenannten individualisierten Medizin, großes Potenzial. Mit dem PluriTest-Modell ist es möglich, bereits mit den Daten von einer einzigen Stammzellprobe verlässliche Vorhersagen über deren Eigenschaften zu machen – eine Fähigkeit, die für die Zukunft der individualisierten Medizin dringend gebraucht wird.

Aber nicht nur für die Grundlagenforschung ist die Stammzellentechnologie interessant, insbesondere dem Pharmasektor könnte sie enorme Einsparpotenziale bieten. Denn die Entwicklung eines neuen Medikamentes kostet im Schnitt mehr als zwei Milliarden Euro. Viele Medikamentenentwicklungen müssen jedoch aktuell kurz vor Markteinführung wieder eingestampft werden, weil sie entweder nicht die erhoffte Wirkung oder gar unerwartete, inakzeptable Nebenwirkungen zeigen. Müller: »Mit unserer Qualitätskontrolle und der daraus resultierenden verbesserten Nutzung von Stammzellen könnte man potenzielle Wirkstoffe schon in einem sehr frühen Stadium beispielsweise auf ihre Toxizität testen. Entscheidend ist, dass man möglichst früh sehen will, ob man mit einem potenziellen neuen Wirkstoff in die richtige Richtung geht oder nicht. Die Chancen darauf können wir mit qualitativ hochwertigen iPS-Zellen deutlich erhöhen.«

Dr. Tebke Böschen
Stichwort Stammzellen
Stammzellen sind Körperzellen, die sich in verschiedene Zelltypen (zum Beispiel Muskelzellen, Nervenzellen, Blutzellen) ausdifferenzieren können. Das weitreichendste Entwicklungspotenzial haben embryonale Stammzellen, die sich in jegliches Gewebe des menschlichen Körpers entwickeln können. Sie werden als »pluripotent« bezeichnet. In Deutschland ist es durch das Embryonenschutzgesetz verboten, diese Stammzellen zu gewinnen.

Adulte Stammzellen, die zum Beispiel in Nabelschnurblut, Knochenmark, Blut und Gehirn vorhanden sind, können ohne ethische Probleme gewonnen werden, sind aber in ihrer Differenzierungsfähigkeit auf wenige Zelltypen beschränkt. Diese Qualität wird mit dem Begriff »Multipotenz« beschrieben. Ein großer Fortschritt war daher, durch ethisch unproblematische Methoden reife Körperzellen in einen früheren Entwicklungszustand umzuprogrammieren und so diese Zellen wieder pluripotent zu machen. Diese biotechnologisch hergestellten Zellen werden als induzierte pluripotente Stammzellen (iPS) bezeichnet und können aus Haut- oder Blutproben eines Menschen generiert werden. (ne)
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