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Prof. Dr. Ludwig Aigner, Institut für Molekulare Regenerative Medizin Paracelsus Medizinische Privatuniversität
 
Dermatologie 30. April 2010

Ist der Jungbrunnen gefunden?

Oct4, Sox2, Klf4 und cMyc sind auf den ersten Blick nichtssagende Abkürzungen, für den Stammzellenforscher jedoch eine Zauberformel, um somatische, differenzierte Zellen zu pluripotenten Stammzellen rückzuprogrammieren. Takahashi und Yamanaka waren die ersten, die durch retrovirale Transfektion von Oct4, Sox2, Klf4 und cMyc Mausfibroblasten in pluripotente Stammzellen verwandeln konnten.

In den letzten drei Jahren haben wir eine regelrechte Explosion der Forschung um induzierte pluripotente Stammzellen (IPS) erlebt. Kurz nach der Erstbeschreibung der IPS-Zellen aus Mausfibroblasten wurde die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf menschliche Zellen nachgewiesen. Hier war es zum einen wiederum Takahashi in der Gruppe von Yamanaka, dem es durch Gentransfer von Oct3/4, Sox2, Klf4 und cMyc gelang, aus adulten humanen Fibroblasten IPS zu generieren, zum anderen war es die Gruppe um Thomson, die durch Einbringen der Gene Oct4, Sox2, Nanog und Lin28 in humane somatische Zellen IPS-Linien herstellen konnten. Zwei Jahre nach der Erstbeschreibung konnte die Anzahl der benötigten Gene von vier auf zwei reduziert werden (Oct4 und Klf4). Die Arbeitsgruppe um Hans Schöler erzeugte durch Einschleusen dieser beiden Gene eine embryonale Stammzell (ES)-ähnliche Pluripotenz in neuralen Stamzellen der adulten Maus. Da neurale Stammzellen ohnehin Sox2 sowie eine geringe, aber anscheinend hinreichende Menge an cMyc produzieren, reichte für die Induktion des pluripotenten Stammzellephänotyps die Expression von Oct4 und Klf4 aus.

Vorteile von IPS

IPS ähneln in ihrer Ausstattung – im Genexpressions- und Epigenommuster – sowie in ihrer Pluripotenz den embryonalen Stammzellen. IPS erfüllten kürzlich sogar das stringenteste Kriterium für Pluripotenz: die Fähigkeit, nach Injektion in einen Blastozysten einen kompletten lebenden Organismus zu generieren. IPS haben im Vergleich zu ES-Zellen wesentliche Vorteile: Die ethisch-rechtliche Problematik, mit dem Einsatz und der Forschung an humanen ES-Zellen, wird mit IPS obsolet. Die Generierung patienteneigener IPS stellt die Möglichkeit der autologen Transplantation in Aussicht. So konnten z. B. bereits IPS aus Zellen von Patienten mit amyotropher Lateralsklerose erzeugt werden. Weiterhin lassen sich in Zukunft durch die Herstellung patienten- und/oder krankheitsspezifischer IPS verschiedene komplexe Erkrankungen vielleicht ursächlich aufklären. Zudem werden IPS in die pharmazeutische Industrie in „Drug Screening“-Projekten Einzug finden. Im Vergleich zu vielen gewebeeigenen adulten Stammzellen, wie der neuralen Stammzellen aus erwachsenem Gehirngewebe, sind die zellulären Quellen für IPS, wie Hautfibroblasten, leichter zugänglich und haben dadurch gewisse Vorteile.

Obwohl das biomedizinische Potenzial der IPS enorm zu sein scheint, werden wir uns bezüglich der klinischen Anwendung, insbesondere der Transplantation von aus IPS gezüchteten Zellen, noch gedulden müssen, denn in der IPS-Technologie dominiert derzeit noch die virale Transfektion der Effektoren und damit die stabile Integration dieser Gene. Die dadurch erzielte, zum Teil unkontrollierte, Expression der pluripotent-induzierten Gene bedingt ein nicht zu vernachlässigbares Tumorrisiko. Oct4, Sox2, Klf4 und cMyc sind Gene, die in vielen Tumoren exprimiert und zum Teil ursächlich in der Tumorgenese involviert sind.

Abgesehen davon liegt eine weitere Gefahr in der retro- oder lentiviral basierten Methodik des Einschleusens der Effektorgene, nachdem die Vektoren durch die Insertion ins Genom der Zelle zusätzliche Genregulationselemente einbringen und dadurch tumorigen wirken können. Es gibt also einige wesentliche methodische Belange, die vor einer klinischen Anwendung der IPS-Technologie geklärt werden müssen. Derzeit werden unterschiedliche Strategien diskutiert und experimentell verfolgt: der Einsatz von Vektoren, die nicht in das Genom der Zielzelle integrieren, der Einsatz regulierbarer Expressionskonstrukte und die Entwicklung von Pluripotenz-induzierbaren „small molecules“.

Als nicht-integrierende Vektoren bieten sich Replikations-defiziente adenovirale Vektoren an. Diese haben bereits Einzug in die Klinik gefunden, wobei ein gewisses Restrisiko der Integration von adenoviralen Vektoren ins Genom nachgewiesen ist. Regulierbare Expressionskassetten werden seit Jahren in der experimentellen Forschung eingesetzt und kürzlich auch für die Herstellung von IPS-Zellen benutzt. Hier gelang die Reprogrammierung von Fibroblasten unter Verwendung eines Doxycyclin-induzierbaren Lentiviruses.

Die Möglichkeit, ganz auf DNA-Sequenzen bzw. auf das Einschleusen von Genen zu verzichten, ist eventuell durch den Einsatz pharmakologischer Substanzen (small molecules) gegeben. Vor allem epigenetisch aktive Substanzen, die durch Demethylierung, wie 5-AZA, oder durch Inhibition der Histondeacetylierung, wie Valproinsäure, Chromatin auffalten, erleichtern dadurch eine Reprogrammierung und lassen sogar auf den Gentransfer von Oct4 und Sox2 verzichten, wobei bei der Verwendung epigenetisch aktiver Substanzen die eventuelle Tumorigenität in Betracht gezogen werden muss. So induziert Valproat bei Ratten z. B. Adenokarzinome im Uterus.

Fazit

IPS-Zellen scheinen ein enormes wissenschaftliches und klinisches Potential zu haben. Sie stellen durch die Reprogrammierung adulter somatischer Zellen einen zellulären Jungbrunnen dar, wobei dessen Sicherheit in den nächsten Jahren sehr akribisch untersucht werden muss, um eine sintflutartige Entgleisung in Form von Tumorentstehung zu vermeiden.

 

Korrespondenz: Paracelsus Medizinische Privatuniversität Strubergasse 21 5020 Salzburg E-Mail:

Der Originalartikel ist nachzulesen in wmw skriptum 2009; 14:18–20

Ludwig Aigner, hautnah 2/2010

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