Neue Zellen aus dem Labor

Shinya Yamanaka und sein Team nutzten Viren als Gen-Taxis, mit denen sie zunächst 24 Gene für Transkriptionsfaktor-Proteine in allen möglichen Kombinationen in die Bindegewebszellen von Mäusen einschleusten. Am Ende fanden sie die chemischen Signalfaktoren, die in den Zellen den Rückwärtsgang einlegen und spezialisierte Zellen wieder in Alleskönner-Stammzellen umprogrammieren. Yamanaka bewies damit, dass sich ausgereifte Körperzellen durchaus in ähnliche Allrounder verwandeln lassen, wie es embryonale Stammzellen sind. Und er zeigte, dass gerade einmal vier Transkriptionsfaktoren (Myc, Oct3/4, Sox2 und Klf4) genügen, um solche induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS) herzustellen.

Neue Zellen sollen kranke ersetzen

2012 teilten sich Gurdon und Yamanaka den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin „für die Entdeckung, dass reife Zellen so umprogrammiert werden können, dass sie pluripotent werden“. Seither verbinden sich große Hoffnungen mit dieser Entdeckung. Forscher träumen davon, Patienten mit Herzinfarkt, Diabetes, Parkinson oder vielen anderen Erkrankungen zu neuen, gesunden Zellen zu verhelfen.

Sie wollen den Patienten dazu gesunde Zellen entnehmen, die sie zunächst in iPS-Zellen umprogrammieren, diese dann wiederum in die gewünschten Zelltypen umwandeln und dann das kranke oder verletzte Gewebe durch die frischen und vitalen Zellen ersetzen. Mittlerweile gibt es erste klinische Versuche mit dieser Form der Umprogrammierung, etwa bei der Makuladegeneration. Sie ist in Deutschland im Erwachsenenalter die häufigste Ursache dafür, dass Menschen zunehmend erblinden. Schuld ist das Absterben bestimmter Netzhautzellen, die normalerweise die Sehnerven versorgen. Patienten mit Makuladegeneration können nicht mehr scharf sehen. Im schlimmsten Fall erblinden sie weitgehend. Mit Medikamenten und kleinen Eingriffen kann man die Erkrankung bei frühzeitiger Behandlung zwar hinauszögern, aber nicht heilen.

Im Jahr 2014 wurden einer japanischen Patientin mit Makuladegeneration auf iPS-Zellen basierende Netzhautzellen transplantiert. Zu diesem Zweck hatte die Augenärztin Masayo Takahashi vom RIKEN Center for Developmental Biology Zellen aus der Haut der Patientin umprogrammiert und iPS-Zellen daraus gewonnen. Dann brachte sie diese Zellen dazu, sich in Netzhautzellen zu verwandeln.

In Studien an Tieren hatte ein solcher Ansatz zuvor geholfen. Die Sehkraft der Tiere stabilisierte sich oder erholte sich sogar. Bei der japanischen Patientin verbesserte sich die Sehschärfe zwar im Laufe des Jahres nach der Operation nicht, aber sie wurde auch nicht schlechter. Zwölf Monate nach der Transplantation gab es keine schweren Komplikationen. Die transplantierten Zellen zeigten keine Zeichen der Abstoßung. Bei einem zweiten Patienten beobachteten die Forscher dann jedoch ungewollte genetische Mutationen bei den Zellen, die sie aus seinen Hautzellen umprogrammiert hatten. Aus Sorge, dass sich daraus ein Tumor entwickeln könnte, verzichteten die Ärzte auf die Transplantation der Zellen.

Tatsächlich haben die Forschungsansätze mit iPS-Zellen den einen oder anderen Haken. Wer viel kann, kann auch manchmal gefährlich sein. Reprogrammierte iPS-Zellen haben das Potenzial, Krebstumore zu bilden. Da sie sich immer wieder teilen, kann es leicht zu Mutationen kommen. Aus Gründen der Sicherheit stoßen klinische Behandlungen mit iPS-Zellen daher bei staatlichen Stellen, die medizinische Verfahren und Medikamente regulieren, bislang auf Widerstände. Dazu kommt der enorme Zeitaufwand. Oft gehen mehrere Monate mit der Reprogrammierung und erneuten Differenzierung der Zellen ins Land. Und das kostet viel Geld.

Körperzellen mit neuer Identität

Parallel zu den iPS-Zellen wird daher als Alternative noch an einer anderen Methode geforscht. Statt den Umweg über iPS-Zellen zu gehen, ist es mittlerweile möglich, Körperzellen direkt eine neue Identität zu verschaffen. „Der Vorteil der direkten Reprogrammierung im Vergleich zur indirekten besteht darin, dass man sie im lebenden Organismus durchführen kann“, sagt der Systembiologe Baris Tursun vom Berlin Institute for Medical Systems Biology (BIMSB) des Max-Delbrück-Centrums für Molekulare Medizin in Berlin. Zwar lasse sich auch die Pluripotenz von Zellen nicht nur in der Kulturschale, sondern auch in einem lebenden Körper erzeugen. „Aber hier besteht eben die Gefahr einer Tumorbildung aufgrund der Zellteilung der Stammzellen.“

Die direkte Reprogrammierung benötigt im Allgemeinen auch weniger Zeit als die indirekte. Das macht sie für klinische Situationen attraktiv, bei denen die Uhr für den Patienten tickt, etwa bei einem Herzinfarkt oder Schlaganfall.

Bei Diabetes tickt zwar nicht die Uhr, aber viele Patienten wären froh, wenn sie sich nicht immer wieder eine Spritze mit Insulin setzen müssten. Insulin ist als Blutzuckerregulierer entscheidend für die Entstehung – und die Behandlung – von Diabetes. Der Körper der Patienten erzeugt meist zu wenig von dem Hormon. Sie müssen ein Leben lang Insulin spritzen. Schuld daran ist der Untergang von insulinproduzierenden Betazellen in der Bauchspeicheldrüse.

Ein Traum der Diabetesbehandlung ist daher, solche zugrunde gegangenen Betazellen durch neues funktionstüchtiges Gewebe zu ersetzen. Genau das haben Forscher um den Stammzellforscher Qiao Zhou von der Harvard University versucht. Sie spritzten Mäusen bestimmte Viren in das Bauchspeicheldrüsengewebe, das den Verdauungssaft herstellt. Die Viren waren mit Genen bepackt, die den Bauplan für drei spezielle Transkriptionsfaktoren stellen. Indem die Forscher die Faktoren an Bord der Viren in die Zellen einschleusten, schalteten sie das genetische Programm dieser Zellen um. In der Folge entwickelten sich insulin-produzierende Betazellen. Die neu gewonnenen Insulin-Fabriken waren kaum von ihren natürlichen Vorbildern zu unterscheiden. Und bei den behandelten Tieren verbesserte sich der Verlauf der Diabetes.

Es war eine der ersten erfolgreichen Studien zur direkten Umprogrammierung von Zellen – und zwar von nahe verwandten Zelltypen aus dem gleichen Keimblatt. Zur Erklärung: Es gibt drei Keimblätter, das heißt Zellschichten, die in der frühen Embryonalphase entstehen. Aus diesen Zellschichten bilden sich während der weiteren Entwicklung des Embryos alle Gewebe und Organe. Mittlerweile können Forscher aber auch Zelltypen eines Keimblatts in die Zelltypen eines anderen Keimblatts direkt umwandeln – beispielsweise Zellen des Bindegewebes in Nervenzellen.

Dieses Kunststück vollbrachten Forscher um Xiang-Dong Fu von der University of California in San Diego. Sie hatten sich schon vor einigen Jahren gefragt, was eigentlich geschieht, wenn man in Körperzellen die Produktion von PTB (Polypyrimidin-Trakt-bindendes Protein) blockiert. Dieses Protein bindet an die Abschrift des Erbguts und beeinflusst darüber, ob Gene abgelesen werden. Damit ist PTB wichtig für die Spezialisierung von Zellen. Denn je nachdem, wie die Zelle spezialisiert ist – ob es sich etwa um eine Bindegewebszelle oder eine Nervenzelle handelt –, sind bestimmte Gene aktiv und andere nicht. Das Team um Fu kreierte Bindegewebszellen ohne das PTB-Protein. Doch was sie dann nach Wochen in ihren Kulturschalen fanden, überraschte sie. Es waren nur noch wenige Bindegewebszellen übrig – stattdessen war fast die ganze Schale mit Neuronen gefüllt.

Reprogrammierung von Hirnzellen

Neue Nervenzellen zu gewinnen ist für Wissenschaftler ein attraktives Ziel. Schließlich werden bei zahlreichen neurologischen und neurodegenerativen Krankheiten Zellen zerstört. Bei Parkinson beispielsweise ist das Absterben von Nervenzellen in der Substantia nigra im Mittelhirn die Ursache der Symptome. Diese Neurone produzieren den für die Bewegungssteuerung wichtigen Botenstoff Dopamin. Sterben sie ab, ist es, als würde der Körper gefrieren: Sekundenlang ist er nicht in der Lage, eine beabsichtigte Bewegung auszuführen. Parkinson-Patienten haben mit massiven Bewegungseinschränkungen zu kämpfen. Sie zittern und müssen sich im täglichen Leben mit Haltungs- und Balancestörungen herumschlagen. Es gibt zwar Medikamente, die den Dopaminmangel im Gehirn zum Teil kompensieren und die Symptome lindern können – und inzwischen wird manchen Patienten auch ein Hirnschrittmacher eingesetzt. Eine Therapie, die an der Wurzel ansetzt und das Absterben der Neurone verhindert, gibt es allerdings nicht.

Deshalb haben Xiang-Dong Fu und seine Kollegen untersucht, ob sich auch im lebendigen Gehirn neue Nervenzellen gewinnen und für den Kampf gegen Parkinson nutzen lassen. Dieses Mal starteten sie also nicht mit Bindegewebszellen, sondern visierten vielmehr Astrozyten an, sternförmige Hirnzellen.

Mithilfe von in Viren verpackten RNA-Molekülen legten sie das PTB-Protein in der Substantia nigra von Mäusen lahm, die unter parkinsonähnlichen Symptomen wie Zittern litten. Indem sie diesen Genschalter herunterregelten, wurden Astrozyten-Gene stillgelegt, während Neuronen-Gene aktiviert wurden. Die Astrozyten verwandelten sich daraufhin in Neurone, die Dopamin produzierten. Auf diesem Weg hoben die Forscher das Dopamin-Level im Gehirn der Tiere an. Tatsächlich konnten sich die Nager anschließend wieder besser bewegen.

„In der Petrischale wurde schon mehrfach gezeigt, dass man Astrozyten in Neurone reprogrammieren kann“, sagt der Neurogenetiker Wolfgang Wurst vom Deutschen Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt (Helmholtz Zentrum München). „Allerdings war das in lebenden Organismen bisher nicht sehr effizient.“ Er hält die Studie daher für einen Meilenstein.

Doch bei Parkinson sind nicht nur dopaminproduzierende Neurone betroffen, sondern ganze neuronale Netzwerke. Dazu gehören Neurone, die das Dopamin empfangen und daraufhin wieder andere Botenstoffe ausschütten. „Solche nachgeschalteten Neurone degenerieren teilweise bei Parkinson ebenfalls“, sagt Wurst. „Da stellt sich natürlich die Frage, ob auch diese nachgeschalteten Neurone durch den Ansatz von Fu und seinen Kollegen repariert werden können“, meint Wurst.

Für Baris Tursun, den Berliner Systembiologen, ist es bei der Umwandlung von Astrozyten in Nervenzellen noch ein langer Weg vom Labor zum Krankenbett des Patienten. „Denn es muss gewährleistet sein, dass es sich um funktionierende Nervenzellen handelt, die sich integrieren lassen und Schaltkreise bilden können“, sagt er. „Und auch wenn sich mit dieser Methode behandelte Mäuse wieder besser bewegen können, bleibt die Frage, wie viel Heilung man durch die reprogrammierten Zellen erreicht hat.“

Kurzfristigere Hoffnungen verbindet Tursun mit dem Ansatz, Verdauungsenzym produzierende Bauchspeicheldrüsenzellen in Insulin herstellende Zellen umzuwandeln, um Diabetes zu bekämpfen. „Diese Methode könnte vergleichsweise rasch in der Medizin umgesetzt werden“, meint Tursun.

Gleichwohl ist es noch zu früh, um die direkte Umprogrammierung in ersten klinischen Studien auf die Probe zu stellen. „Denn beim Einbringen von Viren als Genfähren kann es zu Kollateralschäden kommen, wenn andere Zellen als die gewünschten umprogrammiert werden“, so Baris Tursun. Zudem bleiben die meisten Virengene dauerhaft im Erbgut der Körperzellen – sie könnten also irgendwann aktiv werden und schädliche Veränderungen bewirken.

Um das Problem zu umgehen, setzen manche Forscher auf Nanopartikel, etwa der Biochemiker Jongpil Kim von der Dongguk University in Südkorea. In einer 2019 durchgeführten Studie mit Mäusen nutzte sein Team Nanopartikel als Fähren, um die Gene für Transkriptionsfaktoren in Herzgewebe zu injizieren, das durch einen Herzinfarkt geschädigt war. Wie sich zeigte, verwandelten sich Bindegewebszellen des Herzens daraufhin in Herzmuskelzellen. Bei den Tieren verringerte sich die Größe des Infarktgebiets, und die Herzleistung verbesserte sich.

Ein Fazit zur direkten Reprogrammierung von Zellen zieht der Neurobiologe Benedikt Berninger vom Centre of Developmental Neurobiology des Londoner King’s College: „Man muss die Erwartungen angesichts der sensationellen Befunde etwas bremsen. Viele Betroffene können nicht verstehen, dass man die spektakulären Ergebnisse bei Tieren nicht schon beim Menschen umsetzt. Doch hier ist noch viel experimentelle Forschung nötig, bevor man in die klinische Anwendung gehen kann.“