Die Chimärenforschung öffnet neue Türen zum Verständnis und zur Behandlung von Krankheiten

Jul 10, 2023

Hannah kam 2022 als Redaktionsassistentin zu Drug Discovery News. Sie promovierte 2017 in Neurowissenschaften an der University of Washington und schloss 2020 das Dalla Lana Fellowship in Global Journalism ab.

„Als ich auf dem College war, brauchte meine Mutter eine Herztransplantation“, sagte Mary Garry, Zellbiologin an der University of Minnesota. Obwohl sie erst in den Fünfzigern war, wurde Garrys Mutter gesagt, sie sei zu alt für eine Transplantation; Es waren einfach nicht genügend Herzen verfügbar.

„Meine Mutter ist 1980 gestorben“, sagte Garry. „Die Zahl der heute verfügbaren Spenderherzen ist tatsächlich nicht viel größer als die Zahl, die später in den 1980er Jahren zur Verfügung stand.“

Der Bedarf an Organen, insbesondere an Nieren, Leber und Herzen, übersteigt die Verfügbarkeit bei weitem. Heute stehen allein in den Vereinigten Staaten mehr als 100.000 Menschen auf der nationalen Warteliste für eine Transplantation (1). Viele werden beim Warten sterben.

Als sich das wissenschaftliche Verständnis von Stammzellen, Genbearbeitung und Organismenentwicklung verbesserte, hatte Garry das Gefühl, dass ihr beruflicher Weg klar war. „Als die Technologien zur Lösung dieses Problems verfügbar wurden, schien es genau das Richtige zu sein.“

Heute sind Garry und ihr Mann Dan, ein Transplantationskardiologe, Pioniere auf dem Gebiet der Interspezies-Chimärenforschung, der Untersuchung von Organismen, die Zellen von zwei verschiedenen Arten enthalten. Ihr Team konzentriert sich auf die Verwendung menschlicher induzierter pluripotenter Stammzellen, um menschliches Gewebe in Schweinen zu züchten.

Andere Wissenschaftler, darunter Jun Wu, ein Stammzellbiologe am Southwestern Medical Center der University of Texas, untersuchen ebenfalls Chimären mit dem ultimativen Ziel, eines Tages in der Lage zu sein, genügend menschliche Organe zu züchten, um den enormen Bedarf an Transplantationen zu decken und möglicherweise Hunderte von Organen einzusparen Tausende Leben. „Menschliche pluripotente Stammzellen bergen das Potenzial, einen unerschöpflichen Vorrat an Spenderzellen, -geweben oder -organen für die Transplantation bereitzustellen“, schrieb Wu in einer E-Mail.

In der griechischen Mythologie war die Chimäre ein feuerspeiendes Monster – teils Ziege, teils Schlange, teils Löwe –, das die Menschen in Lykien terrorisierte, bevor es vom Helden Bellerophon getötet wurde. In der Biologie ist eine Chimäre viel weniger monströs; Es handelt sich um jeden Organismus, der zwei oder mehr DNA-Sätze enthält. Dies kann von eher alltäglichen Tieren wie einer Person, die eine Knochenmarktransplantation erhalten hat, bis hin zu Lebewesen reichen, die eher in der Science-Fiction zu Hause zu sein scheinen, wie etwa Tiere, die Zellen oder Gewebe anderer Arten enthalten.

Im Labor hergestellte Interspezies-Chimären sind nicht besonders neu. Wissenschaftler am ARC Institute of Animal Physiology gaben 1984 die Schaffung von Schaf-Ziegen-Hybriden bekannt, die als Geeps bekannt sind (2). Die frühe Chimärenforschung war schwierig und ungenau. Wissenschaftler haben mühsam Gewebe von einem Embryo entfernt und es in einen anderen Embryo eingepflanzt (3). Allerdings revolutionierten die Fortschritte in der Stammzellforschung in den 2000er Jahren das Gebiet und eröffneten neue Möglichkeiten und neue Anwendungen für die Forschung an Multispezies-Organismen.

Im Jahr 2007 schuf ein Team der Universität Kyoto pluripotente Stammzellen aus erwachsenen menschlichen Körperzellen (4). Forscher begannen von einer Zukunft zu träumen, in der die eigenen Zellen eines Patienten, vielleicht aus dem Blut oder der Haut, in diese induzierten pluripotenten Stammzellen umgewandelt und in jedes Organ gezüchtet werden könnten, das der Patient benötigt. Dies würde nicht nur eine ausreichende Versorgung mit Organen gewährleisten, sondern auch die Notwendigkeit für Patienten beseitigen, potenziell gefährliche Immunsuppressiva einzunehmen; Da die neuen Organe aus ihren eigenen Zellen hergestellt würden, müssten sie sich keine Sorgen über eine Organabstoßung machen.

Einige Forscher versuchen, Stammzellen zu verwenden, um menschliche Organe im Labor in vitro und nicht in einer anderen Spezies biotechnologisch zu erzeugen (5). Während Garry die Bedeutung mehrerer Ansätze ohne weiteres anerkennt, sagte sie, dass die Organzüchtung bei sich entwickelnden Tieren gegenüber der In-vitro-Züchtung wichtige Vorteile mit sich bringt.

„Wir glauben, dass die beim Schwein vorhandenen Entwicklungssignale dazu beitragen werden, die menschlichen Zellen im Inneren des Schweinembryos zu leiten. Beim In-vitro-Ansatz gibt es ein physikalisches Gerüst, aber die biologischen Signale wie die Wachstumsfaktoren oder die bloße Kraft.“ „Der Blutfluss oder andere Dinge dieser Art, die im lebenden Organismus vorhanden sind, fehlen“, sagte sie. Wissenschaftler wissen möglicherweise noch nicht genug, um alle Entwicklungsmerkmale genau nachzuahmen, die die Zellen anweisen, ein bestimmtes Organ zu werden. „Die Natur weiß mehr als wir, weil wir all diese Dinge nicht in vitro neu erfinden können“, sagte Garry.

Eine Methode zur Züchtung eines Organs von einem Tier innerhalb einer anderen Art ist die Blastozystenkomplementierung. Forscher schalten ein Gen aus, das die Entwicklung eines bestimmten Organs in der Wirtsblastozyste vorantreibt, und implantieren pluripotente Stammzellen einer Spenderart.

Frühe Studien zeigten, dass diese Technik zumindest bei einigen eng verwandten Arten funktionierte. Im Jahr 2010 löschten der Stammzellbiologe Hiromitsu Nakauchi und sein Team an der Universität Tokio ein Gen, das die Bildung der Bauchspeicheldrüse in Mäuseembryonen steuert, und injizierten pluripotente Stammzellen von Ratten, um die leere Nische zu füllen. Die resultierenden Mäuse wurden mit einer funktionierenden Bauchspeicheldrüse geboren, die hauptsächlich aus Rattenzellen bestand (6).

Seitdem haben Nakauchi und andere chimäre Organismen mit „Ersatz“-Lebern, -Lungen und -Nieren geschaffen (7–9). Trotz dieser Erfolge in Nagetiermodellen erweist sich die Übertragung dieser Erkenntnisse auf menschliche Organe als weitaus schwieriger.

Wie eng die Tiere miteinander verwandt sind, scheint ein wichtiger Faktor dafür zu sein, wie leicht eine Interspezies-Chimäre entstehen kann. In diesem Sinne könnte es am einfachsten sein, menschliche Organe in eng verwandten nichtmenschlichen Primaten zu züchten. Viele Wissenschaftler glauben jedoch, dass Schweine logistisch gesehen die am besten geeignete Spezies für die Produktion menschlicher Organe im großen Maßstab sind: Schweine erwachsen schnell, haben große Würfe und ihre Physiologie ähnelt in vielerlei Hinsicht der des Menschen (10). Mit 90 bis 200 Pfund ähnelt die Körpergröße eines Miniaturschweins eher der eines Menschen als der eines typischen Forschungsaffen; Männliche Rhesusaffen wiegen im Durchschnitt nur etwa 17 Pfund, was beim Versuch, Organe in Menschengröße zu züchten, zu Schwierigkeiten führen könnte (11).

Auch wenn Schweine in mancher Hinsicht optimal für die Züchtung menschlicher Organe geeignet sind, bereitet ihre evolutionäre Distanz zum Menschen einige Schwierigkeiten. Während seiner Postdoktorandenforschung am Salk Institute for Biological Studies erforschte Wu Strategien, um menschliche Stammzellen für diese Aufgabe besser geeignet zu machen.

Indem er menschliche pluripotente Stammzellen in eine Zwischenform brachte, irgendwo zwischen einer naiven Stammzelle und einer präparierten Stammzelle, produzierte Wu zusammen mit anderen Forschern am Salk Institute im Jahr 2017 die ersten chimären Mensch-Schwein-Embryonen (12). Obwohl dies ein großer Fortschritt war, war es weit entfernt von Schweinen mit vollständig menschlichen Organen. Forscher schätzten, dass die Embryonen etwa eine menschliche Zelle pro 100.000 Schweinezellen enthielten (12,13).

Das Löschen von Schweinegenen, die die Entwicklung bestimmter Organe vorantreiben, wie es Nakauchi bei Mäusen und Ratten tat, kann dazu beitragen, dass mehr menschliche Stammzellen in Schweinembryonen wachsen, aber es reicht immer noch nicht aus, um ein vollständig menschliches Organ oder einen vollständig menschlichen Gewebetyp zu erzeugen. Die Garrys wussten, dass die menschlichen Zellen einen zusätzlichen Schub brauchten, also verwendeten sie menschliche Zellen, die BCL2, einen antiapoptotischen Faktor, überexprimierten. Durch die Kombination dieser verstärkten menschlichen Zellen mit Schweineblastozysten, denen das Hauptregulatorgen ETV2 fehlte, gelang es den Garrys, erfolgreich einen Schweinembryo mit einem vollständig menschlichen Endothel zu produzieren, dem Gewebe, das das Gefäßsystem, einschließlich des Herzens und der Blutgefäße, auskleidet (14).

Obwohl Endotheltransplantationen nicht durchführbar seien, sagte Garry, dass dies immer noch ein wichtiger Schritt nach vorne sei. In anderen Modellen bestehen die Niere oder die Bauchspeicheldrüse möglicherweise aus Zellen einer anderen Spezies, das Endothel besteht jedoch immer noch aus Wirtszellen, die eine große Rolle bei der Organabstoßung durch den Transplantatempfänger spielen.

Das Endothel ist so wichtig, dass „es möglich ist, dass das bloße Ausschalten des Gefäßsystems durch eine einzige Gendeletion – ETV2 – ausreicht, um jedes Schweineorgan für die Transplantation in den Menschen kompatibel zu machen. Die Abstoßungsstelle ist in erster Linie das Endothel, das das Gefäßsystem auskleidet.“ ", sagte Garry.

Die Garrys erzeugten auch Schweinembryos mit menschlichem Skelettmuskelgewebe, wobei sie dieses Mal das p53-Protein in den menschlichen Zellen löschten, um das Wachstum anzukurbeln (15). Während diese Studien zeigen, dass die Züchtung menschlichen Gewebes bei Schweinen möglich ist, sind diese wachstumsfördernden Strategien nicht unbedingt für die Herstellung von Organen zur Transplantation in den Menschen geeignet, da beide genetischen Veränderungen auch mit einem erhöhten Risiko für Krebswachstum einhergehen.

Garrys Team arbeitet derzeit daran, die Beziehung zwischen den menschlichen Stammzellen und den Schweinezellen des Wirtsembryos zu verstehen, was zu Strategien zur Steigerung des Wachstums der menschlichen Zellen führen könnte, die besser für Organe geeignet sind, die für eine Transplantation bestimmt sind.

„Wir glauben, dass die Effizienz des Chimärismus wirklich auf immunologische Barrieren zurückzuführen ist“, sagte sie. „Wir arbeiten also mit verschiedenen anderen Gruppen zusammen, die wirklich Experten auf dem Gebiet der Immunbiologie sind, einschließlich der Gruppe von David Sachs an der Columbia University, die uns helfen, all diese Faktoren zu verstehen, die Hürden für den Fortschritt darstellen.“

Garry schätzte, dass aus Schweinen gezüchtete Organe in nur fünf Jahren für Versuche am Menschen bereit sein könnten.

Andere Forscher erforschen alternative Strategien, um die Effizienz auch bei evolutionär weit entfernten Tieren zu steigern (16,17).

Wu hofft, auf diesem Gebiet Fortschritte zu erzielen, indem er Unterschiede im Chimärismus zwischen eng und weiter entfernt verwandten Organismen untersucht. „Der Vergleich der Unterschiede menschlicher erweiterter pluripotenter Stammzellen in Blastozysten von Mäusen und Affen in Kultur wird uns helfen, Artenbarrieren während der frühen Entwicklung aufgrund der genomischen Evolution zu verstehen und bessere Strategien zur Überwindung dieser Barrieren zu entwickeln, um einen robusteren Beitrag des menschlichen Chimärismus in evolutionär weiter entfernten Arten zu ermöglichen.“ , z. B. Schweine“, schrieb Wu.

Zu diesem Zweck schuf Wu zusammen mit einem Forscherteam des Salk Institute for Biological Studies und der Kunming University of Science and Technology im Jahr 2021 die ersten chimären Mensch-Affen-Embryonen (18).

Wu identifizierte auch die Zellkonkurrenz zwischen tierischen und menschlichen Zellen während der Entwicklung als einen wichtigen Faktor für das Scheitern des Chimärismus (19). „Zellkonkurrenz dient bekanntermaßen als Qualitätskontrollmechanismus, um ungeeignete Zellen selektiv aus einem sich entwickelnden Embryo zu entfernen. Menschliche pluripotente Stammzellen werden daher wie ungeeignete Zellen in einem wachsenden tierischen Embryo behandelt und gezielt eliminiert“, schrieb Wu.

Durch die Untersuchung der Mechanismen, die diesem Prozess zugrunde liegen, identifizierte Wus Team Möglichkeiten, menschlichen Zellen beim Überleben in tierischen Embryonen zu helfen. Bei der Züchtung von Maus-Mensch-Embryonen stellten sie eine Hochregulierung von Genen fest, die mit dem NF-κB-Signalweg in den menschlichen Zellen zusammenhängen. Dieser Weg steuert viele verschiedene Zellfunktionen, einschließlich der Reaktion auf Stress und Apoptose, eine Art Zelltod. Durch die genetische Veränderung dieses Signalwegs verbesserten die Forscher das Überleben menschlicher Zellen in den Mausembryonen (19).

Jian Feng, Stammzellforscher an der University at Buffalo, entwickelt eine weitere Technik, um das Wachstum menschlicher Zellen in Mäuseembryonen zu fördern. Im Gegensatz zu Garry und Wu besteht Fengs Ziel nicht darin, menschliche Organe zu züchten, sondern unser Verständnis neurodegenerativer Erkrankungen zu verbessern.

Feng wurde ursprünglich als Molekularbiologe ausgebildet, interessierte sich jedoch schon früh für die Erforschung der Parkinson-Krankheit, insbesondere der früh auftretenden Form der Krankheit, die durch eine Mutation im PRKN-Gen verursacht wird. „Ich hatte das Gefühl, dass ich die gesamte Leistungsfähigkeit der Molekularbiologie nutzen könnte, um eine komplexe menschliche Krankheit zu untersuchen“, sagte er.

Feng stieß bald auf die Schwierigkeiten, menschliche Krankheiten an Mäusen zu untersuchen. Als er das PRKN-Gen in den Mäusen ausschaltete, schienen sie überhaupt nicht betroffen zu sein. Als er also von der Schaffung mausinduzierter pluripotenter Stammzellen las, auf die kurz darauf in den 2000er Jahren die Erzeugung menschlicher Versionen folgte, wusste er sofort, dass er diese menschlichen Zellen zur Erforschung dieser menschlichen Krankheit verwenden wollte.

Das Studium der Zellen in Kultur war jedoch nicht unbedingt die Antwort. „Wenn wir menschliche ZNS-Probleme untersuchen wollen, brauchen wir einen Schaltkreis“, sagte Feng. Darüber hinaus können die dopaminergen Neuronen der Substantia nigra, die bei der Parkinson-Krankheit degenerieren, in einer Schale nicht einfach wiederhergestellt werden. „Das sind sehr einzigartige Zellen. Sie haben eine extrem komplizierte Axon-Verzweigung“, sagte Feng. „Wir mussten einen Ersatz finden, der es uns ermöglichen könnte, diese Zellen in vivo herzustellen.“

Wie andere Forscher hat Feng an Strategien zur Verbesserung der Effizienz des Mensch-Tier-Chimärismus gearbeitet. Durch die vorübergehende Hemmung des Signalproteins mTOR wandelte Feng menschliche pluripotente Stammzellen in eine Form um, die bei der Transplantation in Mäuseembryonen ein verbessertes Wachstum zeigte; Nach 17 Tagen enthielten einige der Mäuseembryonen bis zu vier Prozent menschliche Zellen (16).

Schließlich möchte Feng mithilfe der Chimärentechnologie bessere Modelle der Parkinson-Krankheit erstellen, beispielsweise Mäuse mit menschlichen dopaminergen Neuronen in der Substantia nigra. Er wies jedoch darauf hin, dass noch viele technische Probleme zu lösen seien.

Obwohl die Erschaffung von Nagetieren mit menschlichen Gehirnzellen eine gewaltige Aufgabe ist, ist sie nicht ganz ohne Beispiel. Im Jahr 2017 schuf eine Gruppe an der Universität Rochester chimäre Mäuse mit Gliazellen, den nicht-neuronalen Zellen des Zentralnervensystems, aus induzierten pluripotenten Stammzellen, die von menschlichen Patienten mit Schizophrenie stammten (19). Die Gliazellen entwickelten sich abnormal und die Mäuse zeigten Angst, beeinträchtigtes Sozialverhalten und gestörte Schlafmuster, was darauf hindeutet, dass Gliazellen wahrscheinlich eine Rolle bei der Entstehung von Schizophrenie spielen und dass diese Mäuse als verbesserte Modelle für die Entwicklung neuer Therapien verwendet werden könnten.

Kürzlich, im Herbst 2022, transplantierten Forscher der Stanford University ein aus menschlichen Stammzellen gewonnenes kortikales Organoid in das Gehirn einer neugeborenen Ratte (20). Die menschlichen Neuronen sind in das Gehirn der Ratte integriert; Ihre ausreichende Aktivierung provozierte bestimmte Verhaltensweisen.

Obwohl den Forschern noch viel Arbeit bevorsteht, hoffen sie, dass ihre Bemühungen eines Tages Organe für Transplantationen und ein tieferes Verständnis neuropsychiatrischer Erkrankungen liefern, Leben retten und Leiden auf der ganzen Welt lindern werden.

Hannah kam 2022 als Redaktionsassistentin zu Drug Discovery News. Sie promovierte 2017 in Neurowissenschaften an der University of Washington und schloss 2020 das Dalla Lana Fellowship in Global Journalism ab.

Ausgabe Mai 2023