Reparierte Stammzellen züchten neue arbeitende Leberzellen

Britische Wissenschaftler nahmen Stammzellen aus den Hautzellen von Patienten mit einer angeborenen Lebererkrankung namens alpha1-Antitrypsin-Mangel, verwendeten "molekulare Scheren", um eine "saubere" Reparatur der Genmutation zu bewirken, die die Krankheit verursacht, und zeigten beides im Test Tuben und bei Mäusen, dass das Gen richtig funktionierte, als die Stammzellen neue Zellen bildeten, die fast wie Leberzellen waren. Natur berichtet die Studie, die von Forschern des Wellcome Trust Sanger Institute und der University of Cambridge in ihrer Online-Ausgabe vom 12. Oktober geleitet wird.
Die Studie ist insofern von Bedeutung, als sie eine saubere Methode verwendet, die keine Reste des Reparaturmechanismus hinterlässt, die sonst in klinischer Umgebung inakzeptable Risiken mit sich bringen könnte: Es ist also eine neue Art, eine saubere Korrektur des Defektgens vorzunehmen.
Dadurch wird die Möglichkeit patientenspezifischer Stammzelltherapien näher gebracht, wobei korrigierte Stammzellen dazu dienen, funktionierende Leberzellen im Patienten zu züchten und so teure und oft riskante Lebertransplantationen zu vermeiden.
Co-Autor Professor Allan Bradley, emeritierter Direktor des Wellcome Trust Sanger Institute, sagte der Presse:
"Wir haben neue Systeme entwickelt, um Gene zu targetieren und alle Komponenten zu integrieren, um Defekte in Patientenzellen zu korrigieren."
"Unsere Systeme hinterlassen keine Spuren der genetischen Manipulation, abgesehen von der Genkorrektur", fügte er hinzu.
Co-Autor Professor David Lomas, Professor für Atmungsbiologie an der Universität von Cambridge und beratender Arzt an Addenbrookes und Papworth Hospitals, hat die letzten 20 Jahre an dem Mechanismus des Alpha1-Antitrypsin-Mangels gearbeitet und kümmert sich um Patienten mit der Erkrankung. Er sagte:
"Da es derzeit keine Heilung für diese Krankheit außer Lebertransplantation gibt, und angesichts der zunehmenden Belastungen, die auf das nationale Lebertransplantationsprogramm infolge des starken Anstiegs der Häufigkeit von Lebererkrankungen ausgeübt werden, alternative Therapien für genetische und andere Lebererkrankungen dringend gesucht werden. "
Bradley, Lomas und Kollegen zielten auf einen Gendefekt ab, der eine Leberzirrhose verursacht und das Risiko von Lungenkrebs und Lungenemphysem erhöht. Der Defekt führt zu einem Alpha1-Antitrypsinmangel (A1ATD), der häufigsten bekannten erblichen Erkrankung der Leber und Lunge, die bei etwa einem von 2000 Menschen nordeuropäischer Herkunft auftritt.
Der Defekt, der die Krankheit verursacht, tritt in einer einzelnen Nukleotidänderung in dem Gen auf, das für Alpha1-Antitrypsin (A1AT), einen Enzyminhibitor, der normalerweise Körpergewebe gegen übermäßige Entzündung schützt, kodiert. Menschen mit dem defekten Gen können A1AT nicht richtig aus der Leber freisetzen, wo sie gefangen bleiben und den Schaden verursachen, der zu Leberzirrhose und Lungenemphysem führt.
Gegenwärtig ist die einzige Möglichkeit, die zirrhotische Leber zu behandeln, eine Transplantation.
Bradley sagte gegenüber Nature News, dass eine genetische Heilung einen vollständigen Ersatz des defekten Gens in der Leber erfordern würde, da sich verbleibendes mutiertes Protein weiter ansammeln und Schaden anrichten würde:
"Sie können nicht einfach eine normale Kopie einreichen, weil das nicht ausreicht, um die Krankheit zu ändern", sagte Bradley.
Deshalb haben sich die Forscher den Stammzellen zugewandt, weil sie dazu gebracht werden können, quasi zu jeder Zelle im Körper zu werden, einschließlich neuer Leberzellen. Die Idee war, wenn es möglich wäre, die DNA in den Stammzellen zu reparieren, dann könnten sie vielleicht neues Gewebe regenerieren, dem Zellen mit dem Gendefekt fehlten.
Es gibt zwei Arten von Stammzellen: embryonale und induzierte pluripotente (iPS). Embryonale sind der "Goldstandard", sie bilden die besten Stammzellen, aber es gibt viele ethische Probleme bei ihrer Verwendung, nicht zuletzt, weil sie die Zerstörung vieler Embryonen erfordert.
Dann fanden Wissenschaftler heraus, dass sie Hautzellen und Blutzellen reprogrammieren konnten, um pluripotent zu werden (in der Lage, eine Reihe von anderen Zellen zu bilden) wie embryonale Stammzellen, und die Idee der iPS-Zelle wurde geboren. Aber im Laufe der Zeit entdeckten sie, dass laborgezüchtete iPS-Zellen vielleicht nicht ganz so einfach und sicher sind, wie sie zuerst dachten, zum Beispiel können sie DNA-Mutationen akkumulieren, die dann unkontrolliertes Wachstum von Gewebe verursachen.
Das Team stand also vor einer schwierigen Herausforderung: Wenn ein Problem mit iPS-Zellen darin besteht, dass sie DNA-Defekte akkumulieren, dann sollten sie besser darauf achten, dass sie bei der Reparatur der Einzelnukleotid-Veränderung im A1AT-Gen keine Reste davon zurücklassen der Reparaturmechanismus (wie fremde DNA), der dies erleichtern könnte.
Als sie ihren Bericht gelesen haben, haben sie anscheinend das getan und überprüft, ob sie es getan haben.
Aufbauend auf früheren Arbeiten aus Cambridge, wo sie Hautzellen durch Reprogrammierung von Stammzellen in Leberzellen umwandelten, korrigierte das Team erfolgreich und präzise ein alpha1-Antitrypsin-Gen in einer etablierten Zelllinie, die die Mutation enthielt.
Sie verwendeten "molekulare Scheren" in Form eines manipulierten Moleküls, das "Zinkfinger-Nuklease" genannt wird, um das fehlerhafte A1AT-Gen in iPS-Zellen aus Hautzellen von Menschen mit A1ATD zu finden und zu schneiden.
Dann verwendeten sie ein selbstsetzendes DNA-Molekül namens "PiggyBac", um den defekten Teil zu ersetzen. Danach entfernten sie die piggyBac-Sequenzen aus den Zellen, so dass diese, wenn sie sie dazu brachten, sich zu Leberzellen zu differenzieren, keine Spur von Rest-DNA-Schäden an der Stelle der Korrektur zeigten.
Die iPS-Zellen bildeten Zellen, die einige der Eigenschaften von Hepatozyten zeigten, die Leberzellen, die am meisten von A1ATD betroffen sind.
14 Tage nachdem die Forscher die gen-korrigierten hepatozytenähnlichen Zellen in Mäuse transplantiert hatten, hatten sich einige von ihnen in die Leber integriert und produzierten menschlichen A1AT.
So bewiesen die Forscher, dass die genaue Kopie des Gens nun in den hepatozytenähnlichen Zellen aktiv war, indem sie das Vorhandensein von normalem A1AT sowohl im Teströhrchen als auch in Mausexperimenten zeigten.
Dr. Ludovic Vallier, leitender Autor der Studie und Experte für menschliche pluripotente Stammzellbiologie, sagte:
"Diese Studie ist ein erster Schritt zur personalisierten Zelltherapie für genetische Erkrankungen der Leber."
"Vor jeder klinischen Anwendung müssen wir noch große Herausforderungen bewältigen, aber wir haben jetzt die notwendigen Werkzeuge, um dieses wesentliche Ziel zu erreichen", sagte Vallier, Senior Fellow und Principal Investigator des MRC am MRC-Zentrum der Universität Cambridge für Stammzellbiologie und Regenerative Medizin und Abteilung für Chirurgie.
Wenn sie zuvor Stammzellen analysiert haben, hat das Team entdeckt, dass ihre Genome oft Mutationen enthalten, obwohl nicht klar ist, was sie verursacht. Aber in dieser Studie waren sie vorsichtig, die neuesten Sequenzierungstechniken zu verwenden, um Zellen mit der kleinsten Anzahl von Mutationen zu finden, und dann zu schauen, was mit diesen passiert, wenn sie sich in Gewebezellen differenzieren.
Sie schlagen vor, Screening von Stammzellen wird ein sehr wichtiger Teil der Herstellung von Therapien, die diese Methoden sicher verwenden.
In einem letzten Schritt nahmen die Forscher Zellen direkt von einem Patienten mit A1ATD und korrigierten den Gendefekt genau wie bei der Zelllinie: Sie stellten fest, dass die korrigierten Zellen normales A1AT produzierten.
Lomas sagte:
"Es ist eine ziemlich bemerkenswerte Reihe von Ergebnissen, die auf einer starken Forschung und der großzügigen Teilnahme unserer Patienten beruhen. Einer der nächsten Schritte wird sein, die Verwendung dieser Technik in Studien am Menschen zu erforschen."
Bradley stimmte zu: "Dies sind erste Schritte, aber wenn diese Technologie in Behandlung genommen werden kann, wird es große mögliche Vorteile für die Patienten bieten."
Geschrieben von Catharine Paddock

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