WIE UNTERSCHEIDET SICH DAS REPRODUKTIVE KLONEN VON DER STAMMZELLFORSCHUNG?
Die jüngsten und aktuellen Arbeiten zu Stammzellen, die im Folgenden kurz zusammengefasst und in einem kürzlich erschienenen Bericht der National Academies mit dem Titel Stem Cells and the Future of Regenerative Medicine ausführlicher erörtert werden, stehen nicht in direktem Zusammenhang mit dem reproduktiven Klonen von Menschen. Die Verwendung eines gemeinsamen Anfangsschritts — entweder Kerntransplantation oder somatischer Zellkerntransfer (SCNT) genannt – hat den Kongress jedoch dazu veranlasst, Gesetzesvorlagen in Betracht zu ziehen, die nicht nur das reproduktive Klonen von Menschen, sondern auch bestimmte Bereiche der Stammzellforschung verbieten. Stammzellen sind Zellen, die die Fähigkeit haben, sich wiederholt zu teilen und sowohl spezialisierte Zellen als auch mehr Stammzellen entstehen zu lassen. Einige, wie einige Blut- und Hirnstammzellen, können direkt von Erwachsenen stammen, andere können aus Präimplantationsembryonen gewonnen werden. Stammzellen aus Embryonen werden als embryonale Stammzellen (ES-Zellen) bezeichnet. Der oben erwähnte Bericht der Nationalen Akademien gibt einen detaillierten Überblick über den aktuellen Stand der Stammzellforschung .
ES-Zellen werden auch pluripotente Stammzellen genannt, da ihre Nachkommen alle Zelltypen umfassen, die in einem Postimplantationsembryo, einem Fötus und einem voll entwickelten Organismus vorkommen. Sie stammen aus der inneren Zellmasse früher Embryonen (Blastozysten) . Die Zellen in der inneren Zellmasse einer gegebenen Blastozyste sind genetisch identisch, und jede Blastozyste liefert nur eine einzige ES-Zelllinie. Stammzellen sind bei Erwachsenen seltener und schwieriger zu finden als bei Präimplantationsembryonen, und es hat sich als schwieriger erwiesen, einige Arten von adulten Stammzellen nach der Isolierung zu Zelllinien zu züchten .
Die Herstellung verschiedener Zellen und Gewebe aus ES-Zellen oder anderen Stammzellen ist Gegenstand aktueller Forschung . Die Produktion ganzer Organe außer Knochenmark (zur Verwendung bei der Knochenmarktransplantation) aus solchen Zellen wurde noch nicht erreicht, und ihr endgültiger Erfolg ist ungewiss.
Das derzeitige Interesse an Stammzellen ergibt sich aus ihrem Potenzial für die therapeutische Transplantation bestimmter gesunder Zellen, Gewebe und Organe in Menschen, die an einer Vielzahl von Krankheiten und schwächenden Störungen leiden. Die Forschung mit adulten Stammzellen zeigt, dass sie für solche Zwecke nützlich sein können, auch für andere Gewebe als die, aus denen die Zellen stammen . Nach derzeitigem Kenntnisstand erscheint es unwahrscheinlich, dass sich Erwachsene als ausreichende Stammzellenquelle für alle Arten von Geweben erweisen werden . ES-Zelllinien sind von potenziellem Interesse für die Transplantation, da sich eine Zelllinie unbegrenzt vermehren kann und nicht nur eine Art spezialisierter Zelle, sondern viele verschiedene Arten spezialisierter Zellen (Gehirn, Muskel usw.) erzeugen kann, die für Transplantationen benötigt werden . Es wird jedoch noch viel mehr Forschung erforderlich sein, bevor das therapeutische Potenzial von adulten Stammzellen oder ES-Zellen gut verstanden wird.
Eine der wichtigsten Fragen bezüglich des therapeutischen Potenzials von Stammzellen ist, ob die daraus abgeleiteten Zellen, Gewebe und möglicherweise Organe mit minimalem Risiko einer Transplantatabstoßung transplantiert werden können. Im Idealfall könnten adulte Stammzellen, die für eine Transplantation von Vorteil sind, von Patienten selbst stammen. Solche Zellen oder daraus abgeleitete Gewebe wären genetisch identisch mit den eigenen des Patienten und würden vom Immunsystem nicht abgestoßen. Wie bereits beschrieben, ist jedoch die Verfügbarkeit ausreichender adulter Stammzellen und ihr Potenzial, eine Vielzahl von Zell- und Gewebetypen hervorzubringen, ungewiss. Darüber hinaus würden im Falle einer Störung, die einen genetischen Ursprung hat, die eigenen adulten Stammzellen eines Patienten den gleichen Defekt tragen und müssten gezüchtet und gentechnisch verändert werden, bevor sie für eine therapeutische Transplantation verwendet werden könnten.
Die Anwendung des somatischen Zellkerntransfers oder der Kerntransplantation bietet einen alternativen Weg zur Gewinnung von Stammzellen, die für Transplantationstherapien mit einem minimalen Risiko einer Transplantatabstoßung verwendet werden könnten. Dieses Verfahren – manchmal therapeutisches Klonen, Forschungsklonen oder nicht reproduktives Klonen genannt und hier als Kerntransplantation zur Herstellung von Stammzellen bezeichnet — würde verwendet, um pluripotente Stammzellen zu erzeugen, die genetisch mit den Zellen eines Transplantatempfängers identisch sind . Daher sollten solche ES-Zellen wie adulte Stammzellen die Abstoßung bei Lebertransplantationen verbessern.
Zwei Arten von adulten Stammzellen – Stammzellen im Blut, die Knochenmark bilden, und Hautstammzellen — sind die einzigen beiden derzeit verwendeten Stammzelltherapien. Aber, wie in der National Academies’Bericht mit dem Titel Stammzellen und die Zukunft der Regenerativen Medizin, viele Fragen bleiben, bevor das Potenzial der anderen adulten Stammzellen kann genau beurteilt werden . Nur wenige Studien an adulten Stammzellen haben das Potenzial der Stammzelle ausreichend definiert, indem sie von einer einzelnen, isolierten Zelle ausgingen oder die notwendige zelluläre Umgebung für die korrekte Differenzierung oder die Faktoren definierten, die die Effizienz steuern, mit der die Zellen ein Organ wieder bevölkern. Es ist notwendig zu zeigen, dass die Zellen, die von eingeführten adulten Stammzellen stammen, direkt zur Gewebefunktion beitragen, und die Fähigkeit zu verbessern, adulte Stammzellen in Kultur zu erhalten, ohne dass sich die Zellen differenzieren. Schließlich haben die meisten Studien, die so viel Aufmerksamkeit erregt haben, Maus- und nicht menschliche adulte Stammzellen verwendet.
ES-Zellen sind nicht ohne ihre eigenen potenziellen Probleme als Quelle von Zellen für die Transplantation. Das Wachstum menschlicher ES-Zellen in Kultur erfordert eine „Feeder“ -Schicht von Mauszellen, die Viren enthalten können, und wenn sie differenziert werden dürfen, können die ES-Zellen eine Mischung von Zelltypen auf einmal bilden. Menschliche ES-Zellen können gutartige Tumore bilden, wenn sie in Mäuse eingeführt werden , obwohl dieses Potenzial zu verschwinden scheint, wenn die Zellen vor der Einführung in einen Empfänger differenzieren dürfen . Studien mit Maus-ES-Zellen haben sich als vielversprechend für die Behandlung von Diabetes , Parkinson und Rückenmarksverletzungen erwiesen .
Die mit Kerntransplantation hergestellten ES-Zellen hätten gegenüber adulten Stammzellen den Vorteil, praktisch alle Zelltypen bereitstellen zu können und über lange Zeiträume in Kultur gehalten werden zu können. Das derzeitige Wissen ist jedoch ungewiss, und die Forschung sowohl an adulten Stammzellen als auch an Stammzellen, die mit Kerntransplantation hergestellt wurden, ist erforderlich, um ihr therapeutisches Potenzial zu verstehen. (Dieser Punkt wird in Befund und Empfehlung 2 von Stammzellen und der Zukunft der regenerativen Medizin deutlich gemacht, in der es teilweise heißt, dass „Studien sowohl an embryonalen als auch an adulten menschlichen Stammzellen erforderlich sein werden, um das wissenschaftliche und therapeutische Potenzial der regenerativen Medizin am effizientesten zu fördern.“) Es ist wahrscheinlich, dass die ES-Zellen zunächst verwendet werden, um einzelne Zelltypen für die Transplantation zu erzeugen, wie Nervenzellen oder Muskelzellen. In Zukunft könnten sie aufgrund ihrer Fähigkeit, viele Zelltypen hervorzubringen, zur Erzeugung von Geweben und theoretisch komplexen Organen für die Transplantation verwendet werden. Dies erfordert jedoch die Perfektion der Techniken, um ihre Spezialisierung auf jeden der Komponentenzelltypen zu lenken, und dann die Anordnung dieser Zellen im richtigen Verhältnis und in der richtigen räumlichen Organisation für ein Organ. Das mag für eine einfache Struktur, wie eine Pankreasinsel, die Insulin produziert, ziemlich einfach sein, aber es ist schwieriger für Gewebe, die so komplex sind wie die von Lunge, Niere oder Leber .
Die experimentellen Verfahren, die zur Herstellung von Stammzellen durch Kerntransplantation erforderlich sind, bestehen aus dem Transfer eines somatischen Zellkerns von einem Patienten in ein enukleiertes Ei, der In-vitro-Kultur des Embryos in das Blastozystenstadium und der Ableitung einer pluripotenten ES-Zelllinie aus der inneren Zellmasse dieser Blastozyste. Solche Stammzelllinien würden dann verwendet, um spezialisierte Zellen (und, wenn möglich, Gewebe und Organe) in Laborkultur für therapeutische Transplantationen abzuleiten. Ein solches Verfahren kann, wenn es erfolgreich ist, eine Hauptursache für die Abstoßung von Transplantaten vermeiden. Dieser Vorschlag weist jedoch mehrere mögliche Nachteile auf. Experimente mit Tiermodellen legen nahe, dass das Vorhandensein divergierender mitochondrialer Proteine in Zellen „geringfügige“ Transplantationsantigene erzeugen kann, die Abstoßung verursachen können ; dies wäre kein Problem, wenn das Ei von der Mutter des Transplantatempfängers oder der Empfängerin selbst gespendet würde. Bei einigen Autoimmunerkrankungen kann die Transplantation von Zellen, die aus den eigenen Zellen des Patienten geklont wurden, unangemessen sein, da diese Zellen Ziele für den anhaltenden destruktiven Prozess sein können. Und wie bei der Verwendung adulter Stammzellen würden im Falle einer Störung, die genetischen Ursprungs ist, ES-Zellen, die durch Kerntransplantation aus den eigenen Zellen des Patienten gewonnen wurden, denselben Defekt tragen und müssten gezüchtet und gentechnisch verändert werden, bevor sie für therapeutische Transplantationen verwendet werden könnten. Die Verwendung einer anderen Stammzellquelle ist wahrscheinlicher (obwohl eine Immunsuppression erforderlich wäre) als die herausfordernde Aufgabe, das eine oder die mehreren Gene, die an der Krankheit beteiligt sind, in adulten Stammzellen oder in einer von Kerntransplantationen abgeleiteten Stammzelllinie zu korrigieren, die mit einem Kern des Patienten initiiert wurde.
Neben der Kerntransplantation gibt es zwei weitere Methoden, mit denen Forscher ES-Zellen mit reduzierter Abstoßungswahrscheinlichkeit ableiten können. Eine Bank von Stammzelllinien, die viele mögliche genetische Make-ups abdecken, ist eine Möglichkeit, obwohl der Bericht der National Academies mit dem Titel Stammzellen und die Zukunft der Regenerativen Medizin bewertete dies als „schwer vorstellbar“ . Alternativ könnten embryonale Stammzellen entwickelt werden, um bestimmte Zelloberflächenproteine zu eliminieren oder einzuführen, wodurch die Zellen für das Immunsystem des Empfängers unsichtbar werden. Wie bei der vorgeschlagenen Verwendung vieler Arten adulter Stammzellen bei der Transplantation ist derzeit keiner dieser Ansätze in der Nähe eines Erfolgsversprechens.
Die Herstellung embryonaler Stammzellen durch Kerntransplantation unterscheidet sich vom reproduktiven Klonen dadurch, dass nichts in eine Gebärmutter implantiert wird. Die Frage, ob ES-Zellen allein zu einem vollständigen Embryo führen können, kann leicht falsch interpretiert werden. Die Titel einiger Berichte deuten darauf hin, dass Mausembryonen allein aus ES-Zellen gewonnen werden können . In allen Fällen müssen die ES-Zellen jedoch von Zellen umgeben sein, die von einem Wirtsembryo, insbesondere Trophoblasten und primitivem Endoderm, stammen. Trophoblastenzellen der Blastozyste bilden nicht nur einen Teil der Plazenta, sondern liefern dem Embryo auch wichtige Mustersignale, die zur Bestimmung der Ausrichtung seiner zukünftigen Kopf- und Rumpfachse (anterior-posterior) erforderlich sind. Diese Positionsinformation ist nicht genetisch bedingt, sondern wird von den Trophoblastenzellen aus Ereignissen gewonnen, die kurz nach der Befruchtung oder Eizellaktivierung ausgelöst wurden. Darüber hinaus ist es wichtig, dass die Positionshinweise den inneren Zellen der Blastozyste während eines bestimmten Zeitfensters der Entwicklung vermittelt werden . Isolierte innere Zellmassen von Maus-Blastozysten implantieren nicht von selbst, sondern werden dies tun, wenn sie mit Trophoblastenvesikeln aus einem anderen Embryo kombiniert werden . Im Gegensatz dazu führen isolierte Klumpen von Maus-ES-Zellen, die in Trophoblastenvesikel eingeführt werden, niemals zu etwas, das entfernt einem Postimplantationsembryo ähnelt, im Gegensatz zu einer unorganisierten Masse von Trophoblasten. Mit anderen Worten, die einzige Möglichkeit, Maus-ES-Zellen dazu zu bringen, an der normalen Entwicklung teilzunehmen, besteht darin, sie mit embryonalen Wirtszellen zu versorgen, auch wenn diese Zellen während der gesamten Schwangerschaft nicht lebensfähig bleiben (Richard Gardner, persönliche Kommunikation). Es wurde berichtet, dass ES-Zellen von Menschen und Primaten in Kultur zu Trophoblastenzellen führen können. Diesen Trophoblastenzellen würden jedoch vermutlich die Positionshinweise fehlen, die normalerweise während der Entwicklung einer Blastozyste aus einem Ei erworben werden. In Anbetracht der oben beschriebenen experimentellen Ergebnisse mit Maus-ES-Zellen ist es sehr unwahrscheinlich, dass sich Klumpen menschlicher ES-Zellen, die in einen Uterus gelegt werden, implantieren und zu einem Fötus entwickeln. Es wurde berichtet, dass Klumpen menschlicher ES-Zellen in Kultur, wie Klumpen von Maus-ES-Zellen, zu unorganisierten Aggregaten führen, die als embryoide Körper bekannt sind .
Neben ihrer Verwendung zur therapeutischen Transplantation könnten durch Kerntransplantation gewonnene ES-Zellen in Laboratorien für verschiedene Arten von Studien verwendet werden, die für die klinische Medizin und für die Grundlagenforschung in der menschlichen Entwicklungsbiologie wichtig sind. Solche Studien konnten nicht mit ES-Zellen von Mäusen oder Affen durchgeführt werden und sind wahrscheinlich nicht mit ES-Zellen durchführbar, die aus normal befruchteten Blastozysten hergestellt wurden. Zum Beispiel könnten ES-Zellen, die von Menschen mit genetischen Krankheiten stammen, durch Kerntransplantation hergestellt werden und würden eine Analyse der Rolle der mutierten Gene sowohl in der Zell- als auch in der Gewebeentwicklung und in adulten Zellen ermöglichen, die sonst schwer zu untersuchen sind, wie Nervenzellen des Gehirns. Diese Arbeit hat den Nachteil, dass sie die Verwendung von Spendereizellen erfordern würde. Für die Untersuchung vieler Zelltypen gibt es jedoch möglicherweise keine Alternative zur Verwendung von ES-Zellen; Für diese Zelltypen ist die Ableitung primärer Zelllinien aus menschlichen Geweben noch nicht möglich.
Wenn die Differenzierung von ES-Zellen in spezialisierte Zelltypen verstanden und kontrolliert werden kann, würde die Verwendung der Kerntransplantation zur Gewinnung genetisch definierter humaner ES-Zelllinien die Erzeugung genetisch vielfältiger Zelllinien ermöglichen, die aus eingefrorenen Embryonen nicht ohne weiteres erhältlich sind oder die in IVF-Kliniken über den klinischen Bedarf hinausgehen. Letztere spiegeln nicht die Vielfalt der Allgemeinbevölkerung wider und sind Genomen von Paaren zugewandt, bei denen das Weibchen älter als die Periode maximaler Fruchtbarkeit ist oder ein Partner unfruchtbar ist. Darüber hinaus könnte es wichtig sein, Stammzellen durch Kerntransplantation von Personen zu produzieren, die Krankheiten haben, die sowohl mit einfachen als auch mit komplexen (Multiple-Gen) vererbbaren genetischen Vorlieben verbunden sind. Zum Beispiel haben einige Menschen Mutationen, die sie für die „Lou-Gehrig-Krankheit“ (Amyotrophe Lateralsklerose oder ALS) prädisponieren; Jedoch werden nur einige dieser Personen krank, vermutlich aufgrund des Einflusses zusätzlicher Gene. Viele gemeinsame genetische Vorlieben für Krankheiten haben ähnlich komplexe Ätiologien; es ist wahrscheinlich, dass mehr solcher Krankheiten sichtbar werden, wenn die durch das Humangenomprojekt erzeugten Informationen angewendet werden. Durch die Verwendung von ES-Zellen, die mit Kerntransplantation von Patienten und gesunden Menschen hergestellt wurden, wäre es möglich, die Entwicklung solcher Zellen zu vergleichen und die grundlegenden Prozesse zu untersuchen, die die Vorliebe für Krankheiten modulieren.
Weder die Arbeit mit ES-Zellen noch die Arbeit, die zur Bildung von Zellen und Geweben für die Transplantation führt, beinhaltet die Platzierung von Blastozysten in einem Uterus. Somit gibt es keine Embryonalentwicklung jenseits des 64- bis 200-Zellstadiums und keine fetale Entwicklung.