iPS-Zellen: ein neuer Ansatz zur Behandlung hartnäckiger Krankheiten

Am 29. August 2019 verwendete ein Forschungsteam der Universität Osaka in Japan durch iPS-Zellen erzeugtes Hornhautgewebe, um das Sehvermögen einer Patientin wiederherzustellen, die aufgrund einer Hornhauterkrankung erblindet war. Als dieser Bericht herauskam, weckte er sofort große Neugier und Erwartungen in der Öffentlichkeit.

Induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen) sind künstliche pluripotente Stammzellen. Sie werden hergestellt, indem somatische Zellen, beispielsweise menschliche Hautzellen, mit Pluripotenz-induzierenden Faktoren injiziert und kultiviert werden. Anschließend werden Zellen produziert, die sich in verschiedene Gewebe und Organe des menschlichen Körpers differenzieren können und über eine unbegrenzte Proliferationskapazität verfügen. Derzeit ist es eine neue Idee zur Behandlung schwieriger und komplizierter Krankheiten.

Die Fossilisationsossifikation, auch bekannt als progressive Fossilisationsossifikation (FOP), ist eine der seltenen Krankheiten weltweit. Weltweit gibt es nicht mehr als tausend Fälle, in Japan sind es nur 80 Patienten. Eine wirksame Behandlung gibt es bisher nicht.

Das Hauptsymptom dieser Krankheit ist die Bildung von überschüssigem Knochengewebe in den Muskeln. Seit der Kindheit sind die Muskeln des Patienten im gesamten Körper, einschließlich der Membranen, Sehnen, Bänder und anderer Teile, die die Muskeln umgeben, allmählich verhärtet und verkalkt. Eine Verkalkung der Extremitätenmuskulatur führt zu einer Einschränkung des Bewegungsbereichs der Hand- und Fußgelenke und zur Beugung der Finger; eine Verkalkung der Wirbelsäule führt zu einer Deformation des Rückens; Eine Verkalkung der Mundmuskulatur und der Atemmuskulatur führt zu Schwierigkeiten beim Essen und Atemstillstand und führt schließlich zum Tod des Patienten unter Schmerzen.

Am 2. November 2018 berichtete das iPS-Zellforschungsteam der Universität Kyoto in Japan, dass es mithilfe der iPS-Zelltechnologie mehrere Medikamentenkandidaten herausgesucht habe, die eine therapeutische Wirkung auf FOP haben könnten. Obwohl es noch zu früh ist, um zu behaupten, dass der Mensch FOP besiegt hat, ist diese Forschung für Patienten, die unter Schmerzen leiden, wie ein Lichtstrahl in der Dunkelheit.

Diese dreijährige Studie war der weltweit erste erfolgreiche Versuch, mithilfe von iPS-Zellen Medikamente zu testen, die die Muskelverkalkung hemmen. Obwohl noch zahlreiche Experimente erforderlich sind, um Medikamente zu entwickeln, die in der klinischen Praxis wirklich eingesetzt werden können, ist den Menschen dieses Mal ein großer Durchbruch in der Erforschung und Behandlung von Myomen gelungen.

Neben der Etablierung von Medikamentenanalyse- und Screening-Modellen können iPS-Zellen auch in den Bereichen Organtransplantation und Gewebetransplantation eingesetzt werden. Beispielsweise können iPS-Zellen zur Reparatur von Knorpeldefekten eingesetzt werden.

Knorpelgewebe besteht aus Chondrozyten und Matrixgewebe und ist in großen Mengen in den Gelenken des menschlichen Körpers vorhanden. Nach einer schweren Schädigung kann sich das Knorpelgewebe nur schwer reparieren oder regenerieren, was wahrscheinlich zu Knorpelverlust führt und die Lebensqualität des Patienten ernsthaft beeinträchtigt. Derzeit werden Knorpeldefekte überwiegend durch die Transplantation von körpereigenem, gesundem Knorpelgewebe behandelt. Allerdings besteht bei dieser Methode ein höheres Risiko für eine Degeneration der Chondrozyten und die Bildung faseriger Strukturen, was zu schlechten Transplantationsergebnissen führt.

Das Forschungsteam für Knochengewebetransplantation am iPS Cell Research Institute der Universität Kyoto in Japan verwendete iPS-Zellen von gesunden Menschen, um Chondrozyten zu differenzieren, die dann weiter zu Knorpelgewebe geformt und schließlich in die Knorpeldefekte der Patienten transplantiert wurden. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass die hohe Qualität der Chondrozyten für die Transplantation streng kontrolliert werden kann und kein patienteneigenes Gewebe als Quelle erforderlich ist. Derzeit führen die Forscher Experimente an Mäusen durch.

Im Bereich der regenerativen Medizin versuchen Forscher neben der Behandlung von Knorpelerkrankungen mit iPS-Zellen auch, diese in Herzgewebe, Pankreasgewebe, Netzhautgewebe usw. zu differenzieren. Vereinfacht ausgedrückt umfasst diese Methode die Entnahme von iPS-Zellen aus dem Körper des Patienten, die in vitro zu Herzmuskelgewebe, Hornhautgewebe, Nervengewebe, Blutplättchen, Pankreasinseln usw. differenziert werden und die anschließende Transplantation dieser Gewebe in die betroffene Stelle des Patienten, um das defekte Gewebe zu ergänzen oder zu ersetzen. Die iPS-Zelltherapie bietet eine neue Perspektive für die Behandlung schwieriger und komplizierter Krankheiten wie angeborener Herzfehler und Netzhautdegeneration, und die entsprechende Forschung hat erhebliche Fortschritte gemacht.

Wie sich iPS-Zellen von Stammzellen unterscheiden

Der größte Unterschied zwischen iPS-Zellen und Stammzellen besteht darin, dass iPS-Zellen nicht direkt aus menschlichen Organen und Geweben stammen, sondern eine Art Stammzellen sind, die durch Genomeditierung gewonnen werden. Der japanische Wissenschaftler Shinya Yamanaka beispielsweise, der die Krankheit erstmals entdeckte, verwendete virale Vektoren, um eine Kombination aus vier Transkriptionsfaktoren in differenzierte somatische Zellen zu übertragen und diese umzuprogrammieren, um induzierte pluripotente Stammzellen zu erhalten, die embryonalen Stammzellen ähneln. Auch andere von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt entdeckte Methoden können diesen Zelltyp erzeugen. Sie müssen lediglich je nach Art die geeignete Zubereitungsmethode auswählen.

Was sind die Vorteile von iPS-Zellen?

Erstens verfügen sie, ähnlich wie embryonale Stammzellen, über starke Differenzierungs- und Regenerationsfähigkeiten und können sich in verschiedene Zelltypen differenzieren, die von verschiedenen Organen und Geweben des menschlichen Körpers benötigt werden. Zweitens handelt es sich um eine durch genetische Bearbeitung gewonnene Stammzelle, sodass hinsichtlich ihrer Herkunft keine sozialen und ethischen Bedenken bestehen. Schließlich können isogene Kontrollzelllinien über die CRISPR-Cas9-Genbearbeitung erzeugt werden. Durch diese Genbearbeitung kann die DNA verändert werden, mit dem Ziel, Zellen zur Behandlung menschlicher Krankheiten zu verwenden.