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Zellbasierte Assays Drug Screening
Abb 2: Aufgaben und Verknüpfung der Arbeitspakete (Work Package, WP) in StemBANCC.
PNS: Periphere Neuropathien, CNS: Zentralnervöse neurodegenerative- und neurodysfunktionale
Erkrankungen, QC: Qualitätskontrolle
die Pharmaforschung. Im Idealfall stellt ein
solches Zellmodell die physiologisch und
pathologisch relevanten Aspekte einer Erkrankung
realistisch nach und ist zugleich
HTS-kompatibel.
Zellmaterial
Körpereigene, differenzierte Primärzellen sind
im Prinzip das ideale Ausgangsmaterial für die
Entwicklung zellbasierter Krankheitsmodelle,
denn sie repräsentieren am besten die gewebespezifischen,
physiologischen Prozesse in
vivo. Allerdings lassen sich die meisten relevanten
Primärzelltypen in Zellkultur nicht oder
nur schlecht vermehren. Sie sind daher nicht
in der benötigten Menge und Qualität verfügbar,
in der sie in der Arzneimittelentwicklung
benötigt werden.
Diese Limitierung wurde durch zwei Kernentwicklungen
weitgehend überwunden.
Erstens: Im Zuge der Forschung an humanen
embryonalen Stammzellen (hES-Zellen) wurden
unlängst Kulturverfahren entwickelt,
die diese sich selbst erneuernden Zellen in
praktisch unbegrenzter Menge verfügbar
machen [1,2] . Zusätzlich gelang es in zahlreichen
Arbeiten, die In vitro-Differenzierung der
pluripotenten Zellen in fast jeden humanen
Zelltyp voranzutreiben [3] . Die Herstellung sogenannter
induziert-pluripotenter Stammzellen
(iPS-Zellen) [4] aus Körperzellen markiert einen
zweiten Durchbruch. Dabei werden ausdifferenzierte
adulte Zellen durch transiente
Überexpression vier definierter Faktoren in
einen pluripotenten „ES-Zellen äquivalenten“
Status reprogrammiert („targeted reprogramming“).
Die bahnbrechenden Verfahren zur
Herstellung von iPS-Zellen helfen, die ethisch
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bedenkliche Verwendung von Embryonen
als Ursprung von hES-Zellen zu vermeiden.
Zusätzlich eröffneten sie die vergleichsweise
einfache Kultivierung pluripotenter Zellen aus
Zellmaterial von Patienten, die an spezifischen,
klinisch manifesten Erkrankungen leiden.
Im Prinzip können iPS-Zellen damit als
Ausgangsmaterial für die Bereitstellung
großer Mengen generell jedes humanen,
individualspezifischen Zelltyps dienen.
Hierfür werden aus Patienten, bei denen ein
Krankheitsbild gut dokumentiert ist, nach Einverständniserklärung
(„informed consent“)
minimalinvasiv Zellen entnommen – etwa
Fibroblasten aus Hautbiopsien oder Blutzellen
– und daraus iPS-Zelllinien gewonnen. Nach
Expansion dienen diese zur Differenzierung
gewebespezifischer, erkrankungsrelevanter
Zelltypen, mit denen krankheitsassoziierte
Prozesse in Zellkultur gut nachgebildet und
funktionell validiert werden können. Als wichtige
Kontrollen dienen hierbei iPS-Zellen und
deren Abkömmlinge aus nicht erkrankten,
genetisch verwandten Patienten, die keine
krankheitsauslösende Genmutation tragen.
Alternativ oder zusätzlich werden iPS-Zellen
von verschiedenen „gesunden“ Kontrollprobanden
als Vergleichspopulation herangezogen,
um die Spezifität und Aussagekraft
eines Zellmodells kritisch zu prüfen. Bei einem
Wirkstoffscreening können dann im Prinzip
sogar phänotypische Unterschiede zwischen
einem krankheitsspezifischen Zellmodell im
Vergleich zum „gesunden Kontrollmodell“
zur Auswertung („Readout“) herangezogen
werden, ohne die molekularen Grundlagen
der Erkrankung (also die vermeintlichen Drug
Targets) in allen Einzelheiten zu kennen.
Die revolutionären Möglichkeiten dieser Technik
dürfen nicht darüber hinwegtäuschen,
© StemBancc
dass die Verfahren extrem komplex sind und
die Zusammenarbeit von Klinikern, Grundlagenforschern
und der Pharmaindustrie erfordern,
um ihr Potential voll zu erschließen.
Hier setzt StemBANCC (StemBANCC.org) an,
ein von der Innovative Medicines Initiative (IMI;
imi.europa.eu) gefördertes Projekt [6] . IMI ist eine
Public Private Partnership der Europäischen
Kommission mit dem EU-Pharmaverband
EFPIA (efpia.eu). Abzielend auf die zunehmende
Inzidenz von Erkrankungen einer alternden
Gesellschaft, hat das Programm fünf Krankheitsgruppen
ins Visier genommen. Hierzu
zählen periphere Neuropathien (beispielsweise
krankhafte Schmerzen und Amyotrophe Lateralsklerose),
zentralnervöse neurodegenerative-
und neurodysfunktionale Erkrankungen
(einschließlich Migräne, Demenz, Autismus
und Schizophrenie) sowie Diabetes und Patienten
mit prominenter Arzneimittelallergie
(„adverse drug reaction“).
Ein Kernziel des Programms, das im Oktober
2012 begann und forschende Pharmafirmen
für fünf Jahre mit Forschern aus der Akademia
zusammenbringt, ist die Isolierung und Charakterisierung
von 1.500 iPS-Zelllinien – wobei
jeweils drei Linien aus ingesamt 500 Patienten
inklusive einer Population von Kontrollprobanden
hergestellt werden sollen. Abgelegt in
einer Biobank, werden diese Zelllinien weltweit
der Forschung zur Verfügung stehen.
Ambitioniertes Arbeitsprogramm
Mit einem ambitionierten Arbeitsprogramm
und 35 beteiligten Partnerorganisationen in
ganz Europa (Abb. 1, Details unter www.stembancc.org)
steht StemBANCC vor zahlreichen
logistischen und vor allem technologischen
Herausforderungen. Bei der Induktion von
iPS-Zellen besteht zum einen das Problem,
dass teilweise unvollständig reprogrammierte
Zellartefakte entstehen, die iPS-
Zellen morphologisch ähneln, die Eigenschaften
ursprünglicher iPS-Linien jedoch nicht
widerspiegeln. Die andere Gefahr besteht in
der Induktion genomischer Veränderungen
(Aberrationen) – hervorgerufen durch den Prozess
der Reprogrammierung selbst oder durch
die Anreicherung chromosomaler Variabilität,
die bereits in den Ausgangszellen vorhanden
ist. Die Inzidenz hierfür scheint vom Alter des
Patienten abhängig zu sein, eventuell von der
vorliegenden Erkrankung sowie vom somatischen
Zelltyp, der zur Reprogrammierung
verwendet wird.
Außerdem wurde in jüngster Zeit eine Vielzahl
von Techniken zur Induktion von iPS-Zellen
beschrieben. Sie reichen von genomisch integrierenden
und nicht-integrierenden viralen
Genfähren über proteinbasierte Ansätze bis
hin zu chemischen Wirkstoffen, die alle ihre
Vor- und Nachteile haben [5] .
Als Konsequenz setzt StemBANCC strikt auf
die Vereinheitlichung von Methoden, um die
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