Zwei Typen von embryonalen Stammzellen organisieren sich selbst so, dass in vitro ein Embryo-ähnliches Gebilde entsteht

In der frühen Embryonalentwicklung von Säugetieren entsteht aus einer befruchteten Eizelle in orchestrierten und koordinierten Zellteilungen und Gestaltbildungen ein Embryo. Wie diese frühe Morphogenese und die Differenzierung der ersten embryonalen Zellen molekular ablaufen, ist bei Mäusen und Primaten Gegenstand intensiver Forschungen. Forscher der britischen Universität Cambridge konnten die frühe Gestaltbildung des Embryos in vitro bei Mäusen nachahmen, indem sie zwei Arten von embryonalen Stammzellen vermischten: gentechnisch veränderte embryonale Stammzellen (ESCs) und embryonale Hüllzellen, aus denen für gewöhnlich der Mutterkuchen entsteht (sogenannte extra-embryonale Trophoblasten-Stammzellen, TSCs). Dabei entwickelten sich – in Selbstorganisation – embryonale Gebilde, die natürlichen Embryonen einige Tage nach der Einnistung in die Gebärmutter ähneln sollen. Dies war wohl möglich, weil die embryonalen Zellen in einem 3D-Stützgerüst wachsen konnten. Außerdem fanden die Forscher um Magdalena Zernicka-Goetz molekulare Hinweise darauf, dass sich in den in vitro erzeugten Embryonen Keimzellen-Vorläuferzellen entwickeln. Die Forschungsergebnisse wurden im Fachjournal „Science“ publiziert (siehe *Primärquelle).

 

• Prof. Dr. Hans Schöler, Leiter der Abteilung Zell- und Entwicklungsbiologie, Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin, Münster

 

• Prof. Dr. James Adjaye, Direktor des Instituts für Stammzellforschung und Regenerative Medizin, Universitätsklinikum Düsseldorf, Düsseldorf

 

• Dr. Thorsten M. Schlaeger, Leiter der Human Embryonic Stem Cell Core Facility, Boston Children's Hospital, Boston (USA)

 

• Herr Priv.-Doz. Dr. Michele Boiani, Leiter der Arbeitsgruppe „Mouse Embryology“, Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin, Münster

 

Statements

Prof. Dr. Hans Schöler

Leiter der Abteilung Zell- und Entwicklungsbiologie, Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin, Münster

„Allein die Tatsache, dass man zwei Zelltypen oder Zellaggregate gemeinsam kultiviert, bedeutet zunächst einmal noch nicht, dass es sich dabei bereits um Embryonen-ähnliche Gebilde handelt. Ich erkenne auf den Bildern ‚Embryoid bodies’, die im Kontakt mit Trophoblasten-Stammzellen kultiviert wurden. Meiner ersten Einschätzung nach hätte man auch einfach nur embryonale Stammzellen verwenden können und diese Bilder mit einer 3D-Matrix welcher Struktur auch immer verursachen können. In der Gruppe der Aggregate, von denen angeblich 61 Prozent ‚were built only from ESCs’, haben bestimmt auch einige ‚cavities’ (Höhlen; Anm. d. Red.) gebildet, die sich dann im weiteren Verlauf genauso vereint haben, wie die von embryonalen Stammzellen (ESCs) und Trophoblasten-Stammzellen (TSCs).“

„Die gezeigten Gebilde sehen also zwar so aus wie ‚Egg cylinder’-Embryonen, sie aber einfach als solche zu bezeichnen, grenzt für mich an Wunschdenken. In der Arbeit heißt es ja: ‚By determining the expression of a typical primitive endoderm marker, Gata4, we confirmed that the formation of these embryo-like structures did not involve the presence of primitive endoderm (see Figure 1h).’ Richtig – und da das Ganze deshalb nichts mit normalen Embryonen zu tun hat, sondern es sich eben um Aggregate aus zwei Zelltypen handelt, die sich eben auch im Embryo finden, ist das auch nicht weiter erstaunlich.“

„Ohne primitives Endoderm gibt es keine funktionale embryonale Gestaltbildung; das belegen zahlreiche Publikationen. Um anhand der Experimente akzeptieren zu können, dass eine extrazelluläre Matrix allein reicht, würde ich überzeugendere molekulare Daten bevorzugen. Bis dahin sind das für mich nur scheinobjektive Bilder.“

„Hinzu kommt, dass es bereits zahlreiche Publikationen gibt, die zeigen, dass man mit pluripotenten Stammzellen – also auch ohne TSCs – von Mensch und Maus alles erhält, was in dem Science-Artikel postuliert wird [1] [2]. Keimzellen kann man auch aus pluripotenten Zellen gewinnen, aus ‚Monolayer’ oder ‚Embryoid bodies’; das konnten unsere Arbeitsgruppe und andere zeigen.“

„Wollte man wirklich irgendwann echte Embryonen züchten, dann sollte man pluripotente Stammzellen in Trophoblasten-Vesikel injizieren. Mit den entsprechenden Kulturbedingungen könnte das gelingen. Dabei müsste sich aber die äußere Zellschicht des sich bildenden ‚Embryoid Bodies’ tatsächlich in primitives Endoderm differenzieren, wie das in einer ersten älteren Arbeit beschrieben wurde.“ [3]

„Ich vermute, dass auf Grund dieser Arbeit erneut Diskussionen beginnen, die vor einem Überschreiten des ethischen Rubikons in der Embryonenforschung warnen. Manche werden den Homunkulus schon greifbar nahe sehen. Aber mit dieser Arbeit gibt es – noch – keinen Grund zur Sorge.“

Prof. Dr. James Adjaye

Direktor des Instituts für Stammzellforschung und Regenerative Medizin, Universitätsklinikum Düsseldorf, Düsseldorf

„Pluripotente Stammzellen (Embryonale Stammzellen und induzierte pluripotente Stammzellen iPS), sowohl menschliche als auch solche der Maus, können unter geeigneten experimentellen Bedingungen in 3D-Gebilde bzw. Aggregate von Zellen umgewandelt werden, die potenziell alle Zelltypen ausbilden, die in unserem Körper anzutreffen sind. Mit diesem Wissen über die zelluläre Selbstorganisation haben bereits mehrere Forschergruppen zeigen können, dass ‚Mini-Gehirne’ oder sogenannte ‚3D-Gehirn-Organoide’ aus pluripotenten Stammzellen erzeugt werden können.“

„Eine weitere Entwicklung, die von einem japanischen Labor vorangetrieben wurde [4], zeigte, dass 3D-Leber-Organoide allein durch Mischen von pluripotenten Stammzellen eine Differenzierung in Leberzellen mit zwei weiteren Zelltypen – mesenchymalen Stammzellen (Vorläuferzellen des Bindegewebes; Anm. d. Red.) und Endothelzellen – induziert werden kann. Derartige 3D-Organoide von Gehirn und Leber stehen in Bezug auf Architektur, Physiologie und Funktion realen Organen bereits recht nahe. Auch wurden mit Hilfe von 3D-Gerüsten in der Petrischale Organoide aus Lungen-, Darm- und Nierenzellen erzeugt.“

„In der aktuellen Studie hat das Labor von Magdalena Zernicka-Goetz das 3D-Konzept nun erweitert, um Mäuse-Embryonen in vitro zu erzeugen, die natürlichen Embryonen mit Blick auf ihre Genaktivität und Architektur ähneln. Um diese Embryogenese in vitro in Gang zu setzen, mischten sie embryonale Stammzellen (ESCs) mit Trophoblasten-Stammzellen (TSCs), die normalerweise aus Trophoblastenzellen erzeugt werden, die die äußere Hülle einer Blastozyste (Keimblase; Anm. d. Red.) bilden. Letztere führen dem wachsenden Embryo Nährstoffe zu und entwickeln sich zu einem großen Teil der Plazenta.“

„Die sogenannten ETS-Embryos wurden mit den richtigen Wachstumsfaktoren und einer unterstützenden Umgebung zum Wachstum angeregt, um die Embryogenese nachzuahmen. Die verwendete Methode ist offenbar stabil reproduzierbar: 92,68 Prozent der ETS-Embryonen zeigen in diesem frühen Entwicklungsstadium die richtige Architektur, wie sie auch in natürlichen Mausembryonen in diesem frühen Stadium sichtbar wird.“

„Die ETS-Embryonen der Maus und die Publikationen aus dem Jahr 2016 von derselben Arbeitsgruppe [5] [6] ebnen erstmals den Weg zur möglichen Herstellung menschlicher ETS-Embryonen. Menschliche pluripotente Stammzellen (ESCs) und Trophoblast-Stammzellen (TSCs) sind bereits etabliert und verfügbar. Die Faktoren, die die Embryogenese induzieren, die in dieser neuen Arbeit beschrieben werden, dürften zwischen Maus und Mensch weitgehend vergleichbar sein.“

„Alle Experimente mit menschlichen Stammzellen sind reguliert, allerdings gibt es bisher kein ‚universelles, regulatorisches Regime’. Jedes Land entwickelt seine eigenen regulatorischen Standards, die letztlich darüber entscheiden werden, ob überhaupt menschliche ETS-Embryonen erzeugt werden dürfen und, wenn ja, wie lange diese in der Petrischale kultiviert werden dürfen, um ihre Gestaltbildung fortzusetzen. Meiner Meinung nach wäre es sinnvoll, den internationalen Dialog über die Regulierung derartiger Experimente zu intensivieren.“

„Die ETS-Embryos konnten primäre Keimzellen zu einem Zeitpunkt erzeugen, wie man es bei der natürlichen Embryogenese erwarten würde. Keimzellen finden sich nur in den Gonaden, das heißt in den Eierstöcken bei Frauen und den Hoden bei Männern. In diesen Organen entstehen bei Frauen Eizellen, bei Männern Spermien.“

„Bei frühen Mäuse-Embryonen, also rund einer Woche nach der Befruchtung, werden etwa 50 Zellen in einem extraembryonalen Gewebe durch ihre Nachbarzellen induziert, um sich zu den sogenannten primordialen Keimzellen zu entwickeln. Bei Menschen findet dieser Schritt rund drei Wochen nach der Befruchtung statt.“

„Ein menschliches ETS-Embryo-Modell eignete sich ideal für die Untersuchung der Entstehung von Hoden, Eierstöcken und der natürlichen Embryogenese. Darüber hinaus würde es in Kombination mit Genom-Editing-Tools erstmals möglich sein, experimentell verstehen zu können, wie bestimmte Gen-Mutationen die normale Embryo-Entwicklung beeinflussen.“

Dr. Thorsten M. Schlaeger

Leiter der Human Embryonic Stem Cell Core Facility, Boston Children's Hospital, Boston (USA)

„Die in diesem Fachartikel beschriebenen Befunde sind neu und sehr interessant; sie setzen einen weiteren Meilenstein in der Stammzellforschung. Die Resultate sind allerdings nicht völlig überraschend, denn unzählige Studien haben bereits gezeigt, dass Stammzellen unter den richtigen Bedingungen in vitro in diverse Zelltypen reifen und dabei auch dreidimensionale Strukturen – sogenannte Organoide – bilden können. Diese sind in ihrem Aufbau diversen Organen sehr ähnlich. Geglückt sind solche Organoide bereits für komplexe Organe wie Darm, Niere, Lunge, Auge und Gehirn. Die neue Arbeit zeigt nun, dass dies prinzipiell auch für ganze Embryonen der Fall ist. Allerdings waren in dieser Studie dafür zwei unterschiedliche Typen von Stammzellen notwendig.“

„Entsprechende Experimente könnten nun sicher auch mit menschlichen Stammzellen durchgeführt werden, das wäre der nächste logische Schritt. Es gäbe zudem gute praktische Gründe dafür. Zum Beispiel würden es solche Experimente erstmals erlauben, die molekularen und zellulären Grundlagen der Selbstorganisation menschlicher Embryonen in vitro unter sehr kontrollierten Bedingungen zu erforschen.“

„Mit daraus gewonnenem Wissen könnte es einfacher werden, neuartige Therapien zu entwickeln, die auf embryonalen oder induzierten pluripotenten Stammzellen basieren. Weitere mögliche Anwendungsgebiete wären Untersuchungen über die Interaktionen zwischen Embryonen und der Gebärmutter sowie zu erforschen, welche Ursachen hinter embryonalen Fehlbildungen und Unfruchtbarkeit stecken.“

„Die 14-Tage-Regel [7] ist ein Übereinkommen, das bisher recht erfolgreich vermittelt hat zwischen wissenschaftlichem Forscherdrang, medizinischer Machbarkeit, und dem, was die Gesellschaft für ethisch und moralisch vertretbar hält. Allerdings ist dieser Kompromiss nicht nur bald 40 Jahre alt, ihm wohnte auch aus biologischer und moralphilosophischer Sicht niemals ein besonders solides Fundament inne.“

„Die Forschung hat sich gerade in den vergangenen Jahrzehnten sehr rasant entwickelt. Auch die gesellschaftliche Akzeptanz relevanter Technologien, wie zum Beispiel künstliche Befruchtung, Gentherapie, vorgeburtlicher Diagnose und Stammzellenforschung, wandelt sich. Meiner Meinung nach sollten gut begründete Experimente, die wichtige neue Erkenntnisse versprechen und für die es keine guten Alternativen gibt, nicht unbedingt kategorisch verboten bleiben.“

„In der aktuellen Studie wurden sich differenzierende Zelltypen hauptsächlich anhand einiger weniger Marker-Proteine identifiziert. Folgestudien sollten daher nun abklären, ob diese Zellen in der Tat voll funktionstüchtige Mesoderm-Zellen bzw. Keimzell-Vorläufer darstellen, die von denen in normalen Embryonen nicht zu unterscheiden sind. Zudem wäre es sehr interessant zu untersuchen, wie weit sich die ETS-Embryonen in vitro bzw. in vivo entwickeln können und ob dabei auch komplexere Organe, Organsysteme sowie funktionstüchtige Keimzellen entstehen. Letztendlich geht es um die Frage, ob es mit diesem Ansatz möglich ist, aus Stammzellen ‚künstliche’ Embryonen herzustellen, die sich genauso wie normale Embryonen entwickeln können.“

Herr Priv.-Doz. Dr. Michele Boiani

Leiter der Arbeitsgruppe „Mouse Embryology“, Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin, Münster

„Es ist erstens bekannt, dass achtzellige Mausembryonen ein ähnliches Genexpressionsmuster haben wie das Trophektoderm (extraembryonales Gewebe; Anm. d. Red.). Und zweitens wissen wir, dass eine einzelne embryonale Stammzelle ausreicht, um eine Maus zu bilden, wenn diese embryonale Stammzelle in einen achtzelligen Mausembryo transplantiert wird (‚VelociMouse’-Verfahren). Deshalb ist es nicht wirklich überraschend, dass eine Kombination von trophektodermalen Stammzellen und einzelnen embryonalen Stammzellen sich zu einer Embryo-ähnlichen Struktur entwickeln kann. Die Autoren haben nun diesen Beweis geliefert, und das ist was zählt. Respekt.“

„Ich warne davor, diese Strukturen als ‚Embryonen’ zu bezeichnen. Dazu ist es wissenschaftlich betrachtet viel zu früh. Es wäre einfach gewesen, die Selbstorganisierten-Embryonen durch Transkriptom-Analysen (systematisches Studium der Genaktivität; Anm. d. Red.) mit normalen Mausembryonen zu vergleichen. Die Autoren haben darüber nichts berichtet. Entweder wurden die Analysen bereits durchgeführt und die Ergebnisse waren nicht so gut wie erhofft, oder die Analysen erscheinen demnächst in einer weiteren Veröffentlichung.“

„Ethische Konsequenzen erkenne ich bisher nicht, solange es keinen Beweis gibt, dass die Selbstorganisierten-Embryonen entwicklungsfähig sind – auch nach Übertragung in die Gebärmutter. Zur Klärung solcher Fragen sind Tiermodelle wichtig und unersetzbar.“

„Die Keimzellen-Vorläufer wurden anhand der Genexpression bei der Erbanlage Stella definiert. Mein ‚Problem’ mit diesem Nachweisverfahren ist, dass Stella bereits im Blastozysten-Stadium exprimiert wird, bevor die Keimzellen-Vorläufer entstehen [8]. Den Nachweis in der aktuellen Studie finde ich deshalb nicht ganz überzeugend. Wenn PGCs und Eizellen direkt aus embryonalen Stammzellen abgeleitet werden könnten, siehe die japanische Studie von Oktober 2016 [9], dann gerät die aktuelle Entdeckung von PGCs innerhalb von Selbstorganisierten-Embryonen in den Hintergrund.“

Mögliche Interessenkonflikte

Thorsten Schlaeger: „Keine Interessenkonflikte.“

Alle anderen: Keine Angaben angegeben.

Primärquelle

Harrison SE et al. (2017): Assembly of embryonic and extra-embryonic stem cells to mimic embryogenesis in vitro. Science. DOI: 10.1126/science.aal1810.

Literaturstellen, die von den Experten zitiert wurden

[1] Vassilieva S et al. (2012): A system to enrich for primitive streak-derivatives, definitive endoderm and mesoderm, from pluripotent cells in culture. PLoS One. 2012;7(6):e38645. doi: 10.1371/journal.pone.0038645.

[2] Rust WL et al. (2006): Three-dimensional extracellular matrix stimulates gastrulation-like events in humanembryoid bodies. Stem Cells Dev. 2006 Dec;15(6):889-904.

[3] Robertson E.J. (1987): Embryo-derived stem cell lines. In E.J. Robertson (ed.), Teratocarcinomas and embryonic stem cells. A Practical Approach. pp. 71–112

[4] Takanori Takebe et al. (2013): Vascularized and functional human liver from an iPSC-derived organ bud transplant. Nature; 499,481–484. DOI: doi:10.1038/nature12271.

[5] Deglincerti A et al. (2016): Self-organization of the in vitro attached human embryo. Nature 533, S.251. DOI: 10.1038/nature17948.

[6] Shahbazi M et al. (2016): Self-organization of the human embryo in the absence of maternal tissues. Nature Cell Biology 18, S. 700. DOI: 10.1038/ncb3347.

[7] Report of the Committee of the inquiry into human fertilisation and embyology (1984).

[8] Wang B et al. (2016): Proteomic Analysis of Mouse Oocytes Identifies PRMT7 as a Reprogramming Factor that Replaces SOX2 in the Induction of Pluripotent Stem Cells. J Proteome Res;15(8):2407-21. DOI: 10.1021/acs.jproteome.5b01083.

[9] Hikabe O et al. (2016): Reconstitution in vitro of the entire cycle of the mouse female germ line. Nature;539:299-303. DOI: 10.1038/nature20104.

Weitere Recherchequellen

SMC: Retina-Transplantat aus iPS-Zellen lässt blinde Mäuse wieder auf Licht reagieren. Research in Context, 10.01.2017

SMC: Erstmals Eizellen aus Stammzellen komplett außerhalb des Körpers einer Maus gezüchtet. Research in Context, 19.10.2016.