Induzierte pluripotente Zellen: Stammzellen aus dem Labor

iPS-Zellen entstehen im Labor, doch sie gleichen den Stammzellen eines Embryos. Forscher nutzen sie für die Untersuchung von Krankheiten, Ärzte bei der Entwicklung neuer Therapien.

Herstellung von iPS-Zellen

induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen) werden durch Gentransfer aus normalen Gewebezellen erzeugt

Vier Gene wecken Fähigkeiten, die als verloren galten: Sie verwandeln normale Körperzellen in entwicklungsfähige Stammzellen. Diese induzierten pluripotenten Stammzellen, kurz iPS-Zellen, können jede Zelle des menschlichen Körpers hervorbringen.

Als der Japaner Shinya Yamanaka seine Entdeckung im Jahr 2006 der Fachwelt präsentierte1, reagierte diese verblüfft. Bis dahin galt das Dogma, dass erwachsene Gewebezellen auf ihr Schicksal festgelegt sind – eine Rückentwicklung zu Stammzellen galt als undenkbar.

Doch rasch erkannten Forscher und Ärzte auf der ganzen Welt, welche Möglichkeiten die iPS-Zellen boten. Die Anerkennung der Leistung Yamanakas folgte auf den Fuß: Im Jahr 2012, gerade einmal sechs Jahre nach seiner Entdeckung, erhielt er den Nobelpreis für Medizin.

Einfache, aber zeitaufwendige Herstellung

Bei seinen ersten Versuchen benutzte Yamanaka ein verändertes Virus, um die vier Gene – auch Yamanaka-Faktoren genannt – in Gewebezellen zu transportieren. Doch dieses Virus konnte Krebs auslösen und erzeugte in den ersten Tierversuchen oftmals Tumore. Heute verfügen Forscher über zahlreiche andere Möglichkeiten, um iPS-Zellen zu erzeugen – das Krebsrisiko ist nun stark vermindert.

Geblieben sind die praktischen Probleme: Die Erzeugung von iPS-Zellen ist zwar technisch einfach, aber sehr zeitaufwendig. Meist wird nur etwa 1 von 100 Gewebezellen in eine iPS-Zelle umgewandelt, oft sind es sogar noch weniger. Es kann daher Monate dauern, bis die Zellen heranwachsen und in ausreichender Zahl für Versuche bereitstehen.

iPS-Zellen treiben Forschung voran

Bei der Grundlagenforschung nehmen viele Wissenschaftler diesen Zeitaufwand gerne in Kauf. Denn ihnen bietet sich eine einzigartige Möglichkeit: iPS-Zellen aus Gewebeproben von Patienten beantworten die Frage, wie Erbkrankheiten einzelne Zellen verändern2. Dies kann auf die Spur von neuen Medikamenten führen, die wiederum sofort an den iPS-Zellen getestet werden.

iPS-Zellen haben zudem den großen Vorteil, dass sie – anders als embryonale Zellen – keine ethischen Kontroversen auslösen. Die Forschung ist daher mit weniger Auflagen verbunden und Finanzquellen lassen sich leichter erschließen – vor allem in Deutschland.

In Rekordzeit in die Klinik?

In der Medizin gelten iPS-Zellen nun als vollwertiger Ersatz für embryonale Stammzellen. Anfängliche Bedenken, dass die Reprogrammierung schwere Schäden im Erbgut hinterlässt, gelten mittlerweile als ausgeräumt3. Ärzte wollen nun die Fähigkeit der iPS-Zellen, sich in jede Körperzelle zu verwandeln, für die Regenerierung erkrankter Organe nutzen4.

Die Entwicklung wird vor allem in Asien vorangetrieben. Eine zentrale Rolle spielt Japan, das auch den ersten Therapieversuch genehmigte: Im September 2014 operierten Ärzte eine ältere Frau, die an einer altersbedingten Form der Erblindung litt. Sie behandelten ein Auge mit Netzhautzellen, die im Labor aus iPS-Zellen gezüchtet wurden. Die Transplantation stoppte das Fortschreiten der Erkrankung und hatte kaum Nebenwirkungen5 – der Weg für weitere Versuche war damit frei. Mittlerweile laufen weltweit etwa 20 Studien mit iPS-Zellen, die Krankheiten wie Morbus Parkinson, Herzschwäche und Querschnittslähmung behandeln.

Ein großer Vorteil der iPS-Zelltherapien besteht darin, dass Patienten mit eigenen Stammzellen behandelt werden können. Eine Abstoßung durch den Körper oder die Übertragung von Krankheiten sind damit fast ausgeschlossen. Doch die aufwendige Herstellung der iPS-Zellen führt auch zu hohen Kosten und zeitlichen Verzögerungen. Andere Ansätze nutzen daher iPS-Zellen von gesunden Spendern, die auf Vorrat hergestellt und gelagert werden können.

Ausblick

iPS-Zellen haben eine sichere Zukunft in der Grundlagenforschung, vermutlich auch in der Medizin. Doch mit den Erfolgen werden auch die Schattenseiten sichtbar, denn neue ethische Probleme zeichnen sich ab. Die Zucht von Keimbahnzellen – und damit auch von Kindern – ist mit iPS-Zellen kein technisches Problem mehr6, zudem rücken menschliche Klone und Chimären in greifbare Nähe. Yamanaka selbst hat früh vor diesen Problemen gewarnt: Auch in dieser Beziehung erwies er sich als weitblickender Mann.

1 Takahashi and Yamanaka, Induction of Pluripotent Stem Cells from Mouse Embryonic and Adult Fibroblast Cultures by Defined Factors, Cell, August 2006 (Link)
2 Rowe und Daley, Induced pluripotent stem cells in disease modelling and drug discovery, Nature Reviews Genetics, Juli 2019 (Link)
alle Referenzen anzeigen 3 Kwon et al., iPSCs and fibroblast subclones from the same fibroblast population contain comparable levels of sequence variations, PNAS, Februar 2017 (Link)
4 S. Yamanaka, Pluripotent Stem Cell-Based Cell Therapy—Promise and Challenges, Cell Stem Cell, Oktober 2020 (Link)
5 M. Scudellari, How iPS cells changed the world, Nature, Juni 2016 (Link)
6 Gell et al., Restoring Fertility with Human Induced Pluripotent Stem Cells: Are We There Yet? Cell Stem Cell, Dezember 2018 (Link)

Herstellung von iPS-Zellen

induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen) werden durch Gentransfer aus normalen Gewebezellen erzeugt
Revolution der Stammzellforschung: Für die induzierten pluripotenten Stammzellen von Shinya Yamanaka muss kein Embryo vernichtet werden, dennoch ist das Entwicklungspotenzial der Zellen fast unbegrenzt.

Definition: iPS-Zellen

Induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen) entstehen im Labor, wenn Forscher normale Gewebezellen durch die Zugabe von genetischen Faktoren neu programmieren. Sie haben ähnliche Eigenschaften wie embryonale Stammzellen.

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Kurz und knapp

  • induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen) werden im Labor aus normalen Gewebezellen hergestellt
  • iPS-Zellen sind pluripotent, verhalten sich also ähnlich wie embryonale Zellen
  • induzierte pluripotente Stammzellen ermöglichen die Untersuchung von vererbbaren Krankheiten an einzelnen Zellen
  • 2014 testeten Mediziner iPS-Zellen erstmals für die Behandlung einer Augenkrankheit
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