Neue Karriere für Stammzellen

22.02.12 – David Ewing Duncan

Bis programmierte Stammzellen (iPS) therapeutisch helfen können, wird es noch viele Jahre dauern. Ihr Einsatz indes als winzige Testlabore für die Erforschung von Krankheiten und die Entwicklung von Medikamenten verspricht mehr Erfolg.

Der Blick durch das Mikroskop offenbart Erstaunliches: In einer Petrischale liegen schlagende Herzmuskelzellen, die rhythmisch pulsieren und sich ganz langsam aufeinander zubewegen. Ein wenig erinnern sie dabei an rote Krabben ohne Schwänze. Überließe man diese sogenannten Kardiomyozyten ein paar Stunden sich selbst, würden sie sich zu kleinen Ansammlungen zusammenschließen und versuchen, ein Herz zu bilden. Das ist aber gar nicht das Ziel der Forscher von Cellular Dynamics International (CDI) im US-Bundesstaat Wisconsin, die diese Zellen erzeugt haben. Sie wollen vielmehr in Erfahrung bringen, wie empfindlich sie auf Medikamente reagieren und ob sie durch unerwünschte Nebenwirkungen geschädigt werden.

Die Vorführung durch Forscher von CDI in Madison/Wisconsin gibt einen Vorgeschmack darauf, wie Stammzell-Technologien dabei helfen könnten, jedem Patienten eine maßgeschneiderte Behandlung angedeihen zu lassen. Denn die CDI-Wissenschaftler mussten für die Gewinnung der Herzzellen keinen chirurgischen Eingriff durchführen; stattdessen entnahmen sie Zellen aus einer Blutprobe und stellten sozusagen deren innere genetische Uhr wieder auf null: Die Blutzellen wurden so umprogrammiert, dass sie sich wieder zu jeder Zellart weiterentwickeln können. In diesem Fall regten die Forscher die sogenannten „induzierten pluripotenten Stammzellen“ (iPS) dazu an, sich in Herzzellen zu verwandeln.

„Die Stammzellen ermöglichen den nächsten Schritt in der personalisierten Medizin: Medikamente an unterschiedlichen Zelltypen des Patienten zu testen“, sagt Chris Parker, Chief Commercial Officer von CDI. Diesen soll das langwierige und potenziell riskante Ausprobieren von Medikamenten erspart bleiben: Bald könnten standardmäßig relativ einfache Versuche mit gezüchtetem Gewebe in Petrischalen verraten, welches Medikament einem bestimmten Patienten ohne Nebenwirkungen hilft und ob Wechselwirkungen mit anderen Mitteln zu erwarten sind. Darüber hinaus lassen sich an den verschiedenen Geweben, die aus iPS von Patienten gewonnen werden, auch Krankheiten und potenzielle Angriffspunkte für Medikamente erforschen. Und schließlich könnten iPS-basierte Zellen eines Tages dabei helfen, genetisch verursachte Krankheiten leichter zu diagnostizieren.

Diese zweite Karriere als Testhilfe im Labor ist derzeit wohl die vielversprechendere für iPS. Die große Hoffnung seit der ersten Veröffentlichung über iPS vor vier Jahren bestand zunächst darin, dass aus ihnen gezüchtetes Gewebe krankes oder beschädigtes Rückenmark, Hirn, Herz und anderes Gewebe ersetzen könnte (siehe TR 4/2008, S. 38). Da sie sich aus Körperzellen der Patienten selbst herstellen lassen, wäre ihr großer Vorteil, dass sie nach dem Wiedereinpflanzen nicht abgestoßen würden. Darüber hinaus könnten sie die politische und gesellschaftliche Kontroverse um embryonale Stammzellen entschärfen, weil sie sehr ähnliche Eigenschaften haben wie diese, aber ohne die Zerstörung von menschlichen Embryos gewonnen werden können.

Bei den meisten Gewebearten dürfte es allerdings noch Jahre dauern, sagen viele Stammzell-Experten, bis an eine Transplantation zu denken ist. Stammzell-Pionier James Thomson von der University of Wisconsin – Mitgründer von CDI und einer der ersten Wissenschaftler, die iPS erzeugt haben – sieht das genauso: „Das Gerede über Transplantation ist irrationaler Überschwang.“ Schon das Prinzip, iPS für die Schaffung neuen Gewebes zu nutzen, birgt Risiken: Manche Zelllinien enthalten Mutationen, die Krebs auslösen könnten, und manchmal tragen die Zellen noch eine Art schwache chemische Erinnerung an ihre frühere Existenz als Haut- oder Blutzellen in sich – so etwas wie eine gespaltene Persönlichkeit bei Zellen.

Auch wenn Thomson diese Probleme für lösbar hält, konzentriert sich sein Unternehmen derzeit auf die Labor-Karriere von iPS als Basis für verschiedene Testgewebe. Seit 2008 produziert CDI Herzmuskelzellen aus iPS und verschickt sie dann, gefroren in Trockeneis, an Wissenschaftler, die ihre Funktion untersuchen, und an Forscher in der Pharmaindustrie, die sie in frühen Tests mit Wirkstoffkandidaten verwenden. Ein wichtiger Grund für das Interesse an diesen Zellen ist, dass sie zeigen können, ob ein geplantes Medikament giftig für das Herz ist – bisherige Tests können das übersehen.

„Mehrere Medikamente haben es auf den Markt geschafft, die das Herz angreifen“, sagt Parker, „und das ist inakzeptabel.“ Bisher mussten hauptsächlich Zellen von frisch Verstorbenen für Tests an Wirkstoffkandidaten verwendet werden, doch die aus iPS erzeugten Herzmuskelzellen seien viel besser geeignet: Anders als die Leichen-Zellen pulsieren die aus iPS entstandenen Herzzellen auf realistische Weise. Allerdings sind sie nicht eben billig: Eine Standard-Ampulle mit 1,5 Millionen Zellen kostet etwa 1500 Dollar.

Während sich viele iPS-Unternehmen mit den therapeutischen Potenzialen der programmierten Stammzellen beschäftigen, hat CDI auf dem Markt für Medikamententests und auch für die Suche nach neuen Medikamenten bislang keine ernst zu nehmenden Konkurrenten. Das liegt vor allem daran, dass die Firma aus Madison die technischen Schwierigkeiten für die Massenproduktion der Zellen überwunden hat. Es ist ein lohnendes Geschäft: Zwar hat CDI, weil es als Privatunternehmen dazu nicht verpflichtet ist, bisher keine Geschäftszahlen veröffentlicht. Doch der Presse gegenüber ließ Geschäftsführer Robert Palay schon verlauten, das Unternehmen habe „viele Millionen“ an Umsatz durch den Verkauf seiner Herzzellen an etwa 40 Kunden, darunter die meisten großen Pharmafirmen. Dieses Jahr will CDI sein Angebot ausbauen und auch iPS-basierte Leber-, Hirn- und Blutzellen auf den Markt bringen.

„Das verändert die Spielregeln“, sagt Sandra Engle, Stammzell-Biologin und leitende Forscherin beim Pharmakonzern Pfizer, die ebenfalls schon mit Zellen von CDI gearbeitet hat. „Vor dem Auftreten von CDI waren diese Zellen sehr schwierig und nur in winzigen Mengen zu bekommen. Für Medikamententests mit hohem Durchsatz reicht das nicht aus.“ Ähnlich lobend äußert sich Kyle Kolaja, weltweiter Leiter für prädiktive Toxikologie-Screenings und neue Technologien beim Pharma-Riesen Roche: Der Vorteil der CDI-Zellen sei, dass sie sich wie natürlich entwickelte Zellen verhalten. „Sie haben schon jetzt große Bedeutung bei Medikamentensicherheit und -entwicklung“, sagt Kolaja.

Das sind aber noch nicht alle Vorteile. Bislang nutzen Unternehmen wie Roche und Pfizer iPS-Zellen nur dafür, potenzielle Wirkstoffe auf schädliche Eigenschaften zu testen.

Eines Tages aber könnten iPS-Tests auch an einzelnen Patienten vorgenommen werden, um zu prüfen, ob bei ihnen besondere Risiken für Nebenwirkungen vorliegen. Euan Ashley, Kardiologe an der Stanford University, will darüber hinaus mit iPS-Zellen einem 16-jährigen Jungen helfen, der frühe Symptome von dilatativer Kardiomyopathie zeigt, einer Krankheit, die das Herz stark vergrößert, dabei schwächt und die deshalb tödlich enden kann.

Zu diesem Zweck hat Ashley die DNA des Jungen, von dessen Bruder und Eltern auf genetische Merkmale untersucht, die als Marker für die Krankheit gelten. Als Nächstes wird sein Team iPS-Zellen erzeugen, indem es Hautzellen der Familie entsprechend umprogrammiert; und schließlich wird es die iPS dazu bringen, sich zu Herzmuskelzellen zu differenzieren, die ebenfalls die charakteristischen Gen-Variationen aufweisen. Indem sie die Biochemie dieser Herzzellen studieren, wollen die Forscher Erkenntnisse darüber gewinnen, wie sie auf unterschiedliche Wirkstoffkandidaten reagieren. „Wir werden iPS nutzen, um die genetischen Unterschiede zwischen diesem Kind und anderen ohne die Krankheit herauszufinden“, erklärt Ashley. Im nächsten Schritt ... (vsz)