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Reprogrammierte Stammzellen erinnern sich an ihre Vergangenheit
Während reprogrammierte Stammzellen – solche, die aus vollständig differenzierten adulten Zellen gewonnen werden – in jede Art von Gewebe umgewandelt werden können, haben Wissenschaftler nun entdeckt, dass sie sich daran erinnern, woher sie stammen. Dieses Gedächtnis scheint die Entwicklung der Zellen zu beeinflussen; reprogrammierte Stammzellen lassen sich leichter in ihre ursprüngliche Identität zurückverwandeln, so eine heute online veröffentlichte Studie in Natur . Die Ergebnisse könnten die Erforschung der beiden Hauptanwendungen für reprogrammierte Stammzellen beeinflussen; wachsende Bemühungen, Krankheiten in Zellen zu untersuchen, die von Patienten mit diesen Krankheiten stammen, und die Entwicklung von Ersatzzelltherapien.
Knochen herstellen: Aus der Haut gewonnene Stammzellen bilden besser Knochenzellen (rechts) als aus Blut gewonnene Stammzellen (links), da die Haut enger mit dem Knochen verwandt ist. Kolonien von Knochenzellen sind rot dargestellt.
Vor einigen Jahren entwickelten Forscher eine Möglichkeit, adulte Zellen mithilfe einer einfachen Kombination genetischer oder chemischer Faktoren in Stammzellen umzuprogrammieren, ohne dass ein Embryo erforderlich war. Wie embryonale Stammzellen können sich diese induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS) sowohl selbst reproduzieren als auch in nahezu jede Art von Gewebe im Körper differenzieren. Die Technologie verbreitete sich schnell auf der ganzen Welt und bietet eine Möglichkeit, Stammzellen und ihren potenziellen therapeutischen Nutzen ohne die technischen und ethischen Hürden der Verwendung von Zellen aus Embryonen zu untersuchen. Aber drei Jahre später tauchen immer wieder Komplikationen auf.
Obwohl iPS-Zellen alle traditionellen Tests der sogenannten Pluripotenz – der Fähigkeit, sich in jede Art von Gewebe zu differenzieren – bestanden haben und genetisch identisch mit embryonalen Stammzellen erscheinen, haben sie Einschränkungen. George Daley und seine Kollegen haben bei der Untersuchung von Stammzellen von Mäusen herausgefunden, dass Zellen aus Blut besser in Blutzellen zurückdifferenzieren können als in Knochen; diejenigen, die aus Knochen gewonnen werden, machen schlechte Blutzellen und noch schlechtere Neuronen.
Daleys Team verglich auch Maus-iPS-Zellen mit denen, die einem Kerntransfer unterzogen wurden, der Technik, mit der das Schaf Dolly geklont wurde. Die beiden Methoden lösen unterschiedliche Mechanismen aus, um eine Zelle in einen Stammzellzustand zurückzuversetzen, und die chemischen Methoden der Reprogrammierung von iPS-Zellen scheinen weniger gründlich zu sein. Die iPS-Zellen behalten chemische Modifikationen ihrer DNA bei, die auf ihre frühere Identität hinweisen, während der Kerntransfer den Schiefer reinigt. (Es war nicht möglich, ähnliche Experimente mit menschlichen Zellen durchzuführen, da noch niemand menschliche Zellen geklont hat.)
Die Ergebnisse bilden einen Haken für den Einsatz von iPS-Zellen für die Grundlagenforschung von Krankheiten. Viele Wissenschaftler haben Hautproben von Patienten mit verschiedenen Krankheiten gesammelt, sie wieder in iPS-Zellen umprogrammiert und sie dann dazu veranlasst, sich in von der Krankheit betroffene Gewebe zu differenzieren. So können sie untersuchen, wie sich die Krankheit auf molekularer Ebene entwickelt. Wenn es sich jedoch um eine neurologische Erkrankung wie Parkinson oder um etwas anderes handelt, das nicht mit dem Hautgewebe zusammenhängt, kann die Variation, die aufgrund des Ursprungsgewebes auftritt, die Auswirkungen der Krankheit verschleiern.
Im Hinblick auf die Entwicklung von Ersatzzelltherapien aus iPS-Zellen könnte die Erkenntnis ein Segen sein. Es ist ein zweischneidiges Schwert, sagt Daley. Es war eine große Herausforderung, iPS-Zellen in bestimmte Gewebe zu differenzieren und zu differenzieren. Der Beginn mit dem interessierenden Gewebe kann dies erleichtern, sagt er. Um beispielsweise neue Knochenzellen zu züchten, wäre es besser, eine Knochenbiopsie des Patienten als Ausgangsmaterial zu nehmen, anstatt mit Blut- oder Hautzellen zu beginnen.
Eine zweite Studie, die heute online veröffentlicht wurde in Natur Biotechnologie zeigt, dass diese zellulären Erinnerungen verblassen, nachdem die Zellen für aufeinanderfolgende Generationen gezüchtet wurden. Wenn die Zellen Hunderttausende von Zellteilungen durchlaufen, scheint diese Erinnerung zu verschwinden, sagt der Harvard-Stammzellbiologe Konrad Hochedlinger , der die zweite Studie leitete. Die Zellen werden ununterscheidbar und die Unterschiede, die wir früh beobachten, scheinen zu verschwinden. Da jedoch durch extensive Kultivierung auch genetische Mutationen in die Zellen eingeführt werden können, ist dies möglicherweise keine praktikable Lösung, um das Zellgedächtnis auszulöschen.
Zusammengenommen machen die Studien deutlich, dass die Forscher noch viel über iPS-Zellen wissen müssen. Wenn es keinen anderen Grund gibt, sollten wir immer noch den Kerntransfer untersuchen, um zu untersuchen, wie die Natur ihre eigene Programmierung vornimmt, sagt Evan Snyder , der das Stammzell- und regenerative Biologieprogramm am Sanford-Burnham Medical Research Institute in La Jolla, Kalifornien, leitet. Snyder war nicht an der Recherche beteiligt. Der Kerntransfer ist ein kniffliger Prozess, der in menschlichen Zellen nie erfolgreich durchgeführt wurde und kein wahrscheinlicher Kandidat für eine therapeutische Anwendung ist. Aber selbst als Forschungswerkzeug ist es weitgehend verschwunden, und nur wenige Labore untersuchen es weiter, da sie ihre eigenen iPS-Zellen herstellen können.