Die Alleskönner unter den Stammzellen

PluriNet - Am Beispiel dieses Protein-Netzwerks, welches in menschlichen embryonalen Stammzellen aktiv ist, zeigen Forscher aus Deutschland, Israel und den USA einen Weg auf, wie Computermodelle von Stammzelleigenschaften in der nahen Zukunft bestimmte Tierversuche zur Testung von neuartigen Stammzellen unnötig und Stammzelltherapien für die Patienten sicherer machen könnten.
Abbildungsdetails: Genexpression von PluriNet in ener humanen, induzierten pluripotenten Stammzell-Linie (BJ1-iPS12), die von Forschern an der Harvard Universität entwickelt und in der aktuellen Untersuchung getestet wurde.

Copyright:Franz-Josef Müller, ZIP, u.a.

Wie lässt sich das Potenzial erkennen, das in humanen Stammzellen steckt? Welche Zelle hat die Fähigkeit, jede beliebige Ausdifferenzierung innerhalb des menschlichen Organismus' anzunehmen? Ausgehend von der These, dass Stammzellen untereinander sehr viel weniger ähnlich sind, als bisher bekannt, haben deutsche, israelische und amerikanische Wissenschaftler ein Prüfsystem entwickelt, das die Wissenschaftszeitschrift "Nature" am 24. August in ihrer Online-Ausgabe publiziert. Mittels dieser neuen Methode lassen sich völlig verschiedene Stammzellen typisieren. Vor allem lässt sich herausfinden, welche Stammzellen beliebig ausdifferenzieren können, also pluripotent sind.

"Ständig entstehen neuartige Methoden zur Gewinnung neuer Stammzelllinien in der Kulturschale, die wir für Forschung und Therapie ja dringend brauchen", erläutert Erstautor Dr. Franz-Josef Müller vom Zentrum für Integrative Psychiatrie (ZIP) am Universitätsklinikum Schleswig-Holstein, Campus Kiel. "Bisher konnten wir nur im Tierversuch herausfinden, wie potent die einzelnen Linien sind. Unsere neuen Instrumente, Methoden aus der Künstlichen-Intelligenz-Forschung und das 'PluriNet' geben uns nun die Möglichkeit, mittels computergestützter Modelle die Fähigkeiten der Zellen zu erkunden."

"Am meisten überraschte es uns, dass unterschiedliche pluripotente Stammzellen, zu denen auch die so genannten und in Deutschland kontrovers diskutierten embryonalen Stammzellen gehören, untereinander sehr ähnlich sind, während andere Stammzelltypen, wie z. B. die Stammzellen die aus Gehirngewebe gewonnen werden können, voneinander sehr verschieden sind," berichtet Müller.

Unter der Leitung von Professor Jeanne F. Loring, Direktor des Center for Regenerative Medicine am Scripps Research Institute in La Jolla, Kalifornien, sammelten Müller und seine Kooperationspartner Proben von über hundert Stammzelllinien aus der ganzen Welt ein. Mittels Gen-Chip und EDV-Auswertung konnten in verschiedenen Stammzelltypen bereits bekannte Stammzell-Gene nachgewiesen werden. Gleichzeitig machte die Auswertung aber auch deutlich, dass es hunderte weitere unterschiedliche Gene gibt, die erklären könnten, warum auch Stammzellen, die bisher als identisch galten, in Versuchen unterschiedlich reagieren.

Gemeinsam mit den israelischen Kollegen Igor Ulitsky und Professor Ron Shamir von der School of Computer Science der Universität Tel Aviv gelang es, die Daten aus Gen-Chip Untersuchungen auf bekannte Proteinnetzwerke zu "projizieren" und so auf elektronischem Wege Eigenschaften der einzelnen Zelllinien zuverlässig vorherzusagen.

Anders als bisher in der Stammzellforschung haben die beteiligten Wissenschaftler mit dieser Arbeit das genetische System der Stammzellen insgesamt in den Blick genommen. "Mit dem üblichen reduktionistischen Ansatz, der sich auf die Untersuchung und den Vergleich von Details konzentriert, käme man irgendwann nicht mehr weiter", so Professor Josef Aldenhoff, Inhaber des Lehrstuhl für Psychiatrie und Psychotherapie und Direktor des Zentrums für Integrative Psychiatrie. Er betont, dass gerade der Wille, einen komplexen Ansatz zu wählen, aus der psychiatrischen Arbeit komme: "In unserem Fach sind wir es gewohnt, mit komplexen Systemen wie dem menschlichen Verhalten umzugehen. Das hat auch den Ansatz dieses Projekts geprägt und dazu geführt, dass man sich das System an sich vorgenommen hat, um ein Gesamtbild zu erhalten. Für mich ist dieses Gesamtbild die eigentliche Sensation der Arbeit, weil dies ganz neue Aufschlüsse liefert."

Franz-Josef Müller ist als Assistenzarzt und Wissenschaftler an der Kieler Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie tätig. Ein Teil der Arbeit entstand während seines Gastaufenthaltes am Scripps Research Institute.

An der Entwicklung von PluriNet waren unter anderem der Neurochirurg Dr. Nils O. Schmidt aus dem Hamburger Universitätsklinikum Eppendorf sowie Dr. Dennis Kostka vom Max-Planck-Institut für Molekular Genetik in Berlin beteiligt. Während in Eppendorf bisher einzigartige Zellkulturen neuraler Vorläuferzellen ("HANSE"-Zellen) entstanden, entwickelte Dr. Kostka die Algorithmen für das Stammzell-spezifische Computermodell.

Ermöglicht wurde das Ergebnis darüber hinaus durch eine Nachwuchsforschungsförderung, die Franz-Josef Müller 2006 von der Christian Albrechts Universität erhielt, sowie im Rahmen der Grundlagenarbeit des Sonderforschungsbereichs SFB654/C5 "Plasitizität und Schlaf" am ZIP.

Um PluriNet für die internationale Forschergemeinschaft zur Verfügung zu stellen, entwickelten die Wissenschaftler eine Internetplattform -www.stemcellmatrix.org - , auf der sie alle Ergebnisse und das Modell der Öffentlichkeit frei zur Verfügung stellen. "Wir haben uns dafür entschieden, alles als 'open source' und mit Verknüpfungen zum weltweit freien Online-Lexikon Wikipedia bereit zu stellen", so Franz-Josef Müller, "weil wir uns dadurch einen Anstoß für die internationale Forschung erhoffen. Je schneller die Erkenntnisse international aufgenommen und reflektiert werden, desto eher werden wir mit Stammzellen erfolgreich und sicher Patienten behandeln können."

www.nature.com/nature

Kontakt:

Dr. Franz-Josef Müller

Tel. 0431/9900-2709, -4169 oder über 0431/880-2104

fj.mueller@zip-kiel.de