15. Genehmigung nach dem Stammzellgesetz

1. Genehmigungsinhaber(in)

Professor Dr. Heinrich Sauer (Physiologisches Institut der Universität Gießen)

2. Zell-Linien

Die vorgesehenen Forschungsarbeiten basieren auf humanen embryonalen Stammzellen (hES-Zellen) der folgenden Linien:

• H1 (Wicell Research Institute, Madison, WI, USA)
• H7 (Wicell Research Institute, Madison, WI, USA)
• H9 (Wicell Research Institute, Madison, WI, USA)
• H13 (Wicell Research Institute, Madison, WI, USA)
• H14 (Wicell Research Institute, Madison, WI, USA)

Die Genehmigung gilt jeweils auch für die Einfuhr und Verwendung von Sub-Linien (z.B. von klonalen Sub-Linien oder genetisch modifizierten Derivaten) der genannten humanen embryonalen Stammzell-Linie(n).

3. Angaben zum Forschungsvorhaben

Für Forschungsarbeiten unter dem Titel „Tumor-induzierte Angiogenese in Tumor-Stammzell Konfrontationskulturen“ wurde die Verwendung der o.g. humanen embryonalen Stammzell-Linien genehmigt.

Gegenstand des Vorhabens sind In-vitro-Untersuchungen zu Mechanismen der Blutgefäßbildung (Angiogenese) beim Menschen, insbesondere nach Induktion durch Tumoren, und des Einflusses bekannter anti-angiogener Substanzen auf diese Prozesse. Dazu soll ein auf humanen embryonalen Stammzellen (hES-Zellen) und humanem Tumorgewebe basierendes Konfrontationsmodell etabliert werden. Die Arbeiten gliedern sich in mehrere Teilprojekte:

Im ersten Teilprojekt sollen Blutgefäße aus hES-Zellen gebildet werden. Dabei soll der zeitliche Verlauf der Blutgefäßbildung während der Differenzierung von aus hES-Zellen abgeleiteten embryoid bodies (EBs) untersucht werden und eine molekulare Analyse verschiedener Differenzierungsstufen unter Verwendung mehrerer endothelialer Markermoleküle erfolgen.

Im zweiten Teilprojekt soll die Funktionalität der differenzierten Blutgefäße durch Bestimmung der Diffusionskinetiken bestimmter Markermoleküle analysiert werden.

Im dritten Teilprojekt soll eine Reihe von bekannten anti-angiogenen Substanzen untersucht werden, um festzustellen, ob und inwiefern diese die Angiogenese in sich differenzierenden EBs hemmen. Dazu sollen verschiedene funktionelle und morphologische Parameter des EBs bestimmt werden.

Im vierten Teilprojekt soll ein Konfrontationsmodell aus humanen EBs und Tumor-Sphäroiden, jeweils bestehend aus Zellen verschiedener repräsentativer Tumoren, etabliert werden. Neben den physiologischen Eigenschaften der EBs und des Tumors in diesem Modell soll vor allem die Vaskularisierung des Tumors durch aus den EBs sprossende Blutgefäße untersucht werden.

In einem fünften Teilprojekt sollen nach erfolgreicher Etablierung der Konfrontationskultur anti-angiogene Substanzen bezüglich ihrer Fähigkeit untersucht werden, die Vaskularisierung des Tumors zu verhindern bzw. zu hemmen.

Bei dem Forschungsvorhaben wird mit einer voraussichtlichen Dauer von 2 Jahren gerechnet.

4. Hochrangigkeit der Forschungsziele

Entsprechend der im Antragsverfahren erbrachten wissenschaftlich begründeten Darlegungen dienen die vorgesehenen Forschungsarbeiten an humanen ES-Zellen nach übereinstimmender Auffassung der Zentralen Ethik-Kommission für Stammzellenforschung (ZES) und des Robert Koch-Institutes (RKI) hochrangigen Forschungszielen für den wissenschaftlichen Erkenntnisgewinn im Rahmen der Grundlagenforschung. Sie können langfristig auch der Erweiterung medizinischer Kenntnisse bei der Entwicklung therapeutischer Verfahren zur Anwendung beim Menschen dienen.

Für diese Beurteilung sind folgende Gründe maßgeblich: Aus den geplanten Experimenten in den ersten beiden Teilprojekten können sich Erkenntnisse über molekulare Mechanismen der Bildung von Endothel und Blutgefäßen während der frühen Differenzierung ergeben. Diese Mechanismen sind beim Menschen bislang nur teilweise bekannt. Die geplanten Untersuchungen anti-angiogener Substanzen können weiterhin zur Entwicklung besserer therapeutischer Eingriffsmöglichkeiten auf molekularer Ebene beitragen.

Die im Projekt angestrebte Etablierung von dreidimensionalen Konfrontationsmodellen zwischen humanen EBs und Sphäroiden humaner Tumorzellen stellt eine innovative Vorgehensweise dar, um tumorinduzierte Angiogenese untersuchen zu können. Es handelt sich hierbei um ein Projekt der Grundlagenforschung, das zu neuen Erkenntnissen über die Mechanismen tumorinduzierter Gefäßbildung führen kann. Zu diesem Zweck soll beispielsweise der Verlauf der Expression pro-angiogener Gene bei der Differenzierung humaner EBs im Konfrontationsmodell verfolgt werden. Eine erfolgreiche Durchführung des Projektes könnte also dazu beitragen, die Pathogenese von Krebserkrankungen, die mit einer Vaskularisierung des Tumors einhergeht, besser zu verstehen.

Die Untersuchung der Angiogenese in Sphäroiden, sollte sie gelingen, könnte zum anderen auch wertvolle Beiträge zur Entwicklung neuer anti-angiogener Medikamente leisten. Eine Nutzung humaner EBs für die Untersuchung von Anti-Angiogenese-Wirkungen könnte die Aussagekraft der Tests zur Human-Wirksamkeit von Angiogenesehemmern, die gegenwärtig vor allem in verschiedenen Tiermodellen durchgeführt werden, deutlich erhöhen. Insofern könnten die geplanten Untersuchungen im Falle ihres positiven Abschlusses zuverlässigere Aussagen als bisher zu Anti-Angiogenese-Eigenschaften von Pharmaka ermöglichen.

5. Notwendige Vorarbeiten und Erforderlichkeit der Verwendung von humanen embryonalen Stammzellen für die mit dem Vorhaben verfolgten Fragestellungen

Im Antragsverfahren wurden umfangreiche eigene Arbeiten zur Vorklärung der experimentellen Fragestellung dargelegt, in denen die Angiogenese in EBs der Maus untersucht und Konfrontationsmodelle unter Nutzung muriner ES-Zellen etabliert und getestet wurden. Die pharmakologische Hemmung von Angiogenese durch verschiedene Substanzen wurde in diesem Konfrontationsmodell zwischen humanen Tumoren und murinen EBs nachgewiesen. Die aufgeworfenen Fragestellungen sind im Mausmodell ausreichend experimentell geklärt worden.

Die experimentellen Fragestellungen der Untersuchung der Mechanismen, die bei der Angiogenese aus hES-Zellen und deren pharmakologischer Hemmung eine Rolle spielen, erfordert die Verwendung von hES-Zellen. Da humane und murine ES-Zellen deutliche Unterschiede bezüglich der frühen Expression endothelialer Markergene aufweisen, ist eine Übertragung der bereits vorliegenden, mit murinen ES-Zellen erzielten Ergebnisse auf das humane System nicht oder nur eingeschränkt möglich und die Verwendung humaner Zellen für das Verständnis früher Angiogeneseprozesse beim Menschen folglich notwendig. Frühe angiogene Differenzierungsprozesse, wie sie im humanen embryoid body ablaufen sind komplex. Neben Endothel-Vorläufern gibt es Wechselwirkungen mit glatter Muskulatur, Perizyten und Blutzellen, und gegebenenfalls auch weiteren Zelltypen. Die Untersuchung dieser komplexen Wechselwirkungen in vitro wird am besten ermöglicht durch dreidimensionale Systeme aus verschiedenen Zelltypen. Es wurde bislang nicht beschrieben, dass somatische Stammzellen in vitro multizelluläre Strukturen aus organotypisch unterschiedlichen Geweben bilden können, die den embryoid bodies vergleichbar wären und zur Gefäßbildung führen. Für die Klärung dieser Fragestellung ist daher die Nutzung aus hES-Zellen abgeleiteter embryoid bodies erforderlich.

Der Notwendigkeit für die Nutzung humaner Zellen im Konfrontationsmodell liegt zu Grunde, dass die bislang verwendeten heterologen Konfrontationskulturen (d.h. zwischen humanen Tumoren und murinen EBs) nur bedingt Rückschlüsse auf die Angiogenesemechanismen beim Menschen zulassen. Auch dies ergibt sich aus bereits bekannten und erwarteten speziesspezifischen Unterschieden in den molekularen Prozessen, die der Gefäßbildung zugrunde liegen.

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