Unsterbliche Zellen für Wirkstoffe nach Maß

Vermehrung von Zellen jedes Spendergewebes unter Funktionserhalt

  • Glatte Muskelzellen regulieren die Kontraktion von Blutgefäßen, Atemwegen oder auch des Darmtrakts. Bild: HZI/Tobias May.Glatte Muskelzellen regulieren die Kontraktion von Blutgefäßen, Atemwegen oder auch des Darmtrakts. Bild: HZI/Tobias May.

Entdecken Wissenschaftler einen neuen Wirkstoff, der zum Beispiel gegen einen Krankheitserreger eingesetzt werden könnte, untersuchen sie seine genaue Wirkung zunächst an kultivierten Zellen. Dafür fehlen derzeit jedoch geeignete Testsysteme, die Körpergewebe nachbilden, denn Zellen verlieren außerhalb ihrer natürlichen Umgebung schnell ihre spezifischen Eigenschaften.

In einer Zusammenarbeit des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) und der Inscreenex GmbH, einer Ausgründung des HZI, haben Wissenschaftler eine völlig neue Technologie entwickelt, die es ermöglicht, Zellen aus praktisch jedem Gewebe einfach und verlässlich zu vermehren und dabei ihre gewebetypischen Eigenschaften auch in der Petrischale zu bewahren. Damit sind gezielte Wirkstofftests und -screenings an organspezifischen Zellen möglich. Mit geringem Aufwand lassen sich sogar patientenspezifische Testsysteme für die personalisierte Medizin etablieren. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler im Fachjournal Nature Communications.

Für viele Untersuchungen, Screenings für neue Wirkstoffe und für Wirkstofftests benötigen Wissenschaftler primäre Körperzellen. Das sind Zellen, die direkt aus dem betroffenen Gewebe oder Organ stammen. Biopsien liefern allerdings nur geringe Zellmengen, die für breit angelegte Untersuchungen nicht ausreichen. So lassen sich blutgefäßbildende Endothelzellen zwar beispielsweise aus Nabelschnüren gewinnen, aber Endothelzellen von erwachsenen Spendern stehen nicht in ausreichendem Maß zur Verfügung. Die Lösung des Problems: Primäre Zellen müssen in der Zellkultur immortalisiert, also unsterblich gemacht und so zum dauerhaften Teilen angeregt werden. An sich ist dieses Verfahren nicht neu: Bereits in der Vergangenheit wurden Zellen mit bestimmten Krebsgenen unsterblich gemacht, allerdings nur mit zweifelhaftem Erfolg. Die Zellen wachsen zwar unendlich, sie verlieren jedoch dabei ihre typischen Eigenschaften und spiegeln nicht mehr die ursprünglichen Körperzellen wider.

Braunschweiger Wissenschaftler der Inscreenex GmbH und des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung haben nun eine Methode entwickelt, mit der sie primäre Zellen jedes Gewebes und jedes Spenders in der Kultur zur dauerhaften Teilung anregen und gleichzeitig deren typische Eigenschaften erhalten können.

„Wir haben eine Genbank aus 33 Genen zusammengestellt, die zum Beispiel wichtig für die Teilung und den Erhalt der gewebespezifischen Eigenschaften der Zellen sind oder den Zelltod unterdrücken“, sagt Dr. Tobias May, Geschäftsführer von Inscreenex. „Mit dieser Bank kann für jeden Zelltyp ein optimales Set an Genen ermittelt werden, das die Zellen sowohl weiterwachsen lässt als auch ihre Funktionen aufrechterhält.“

Einbringung der Zellen mittels Virustransfer nach dem Zufallsprinzip
Um für verschiedene Zelltypen die jeweils optimale Genkombination zu finden, haben die Forscher Gene aus ihrer Bank mittels Virustransfer nach dem Zufallsprinzip in die Zellen eingebracht. Anschließend haben sie die überlebenden und sich teilenden Zellen charakterisiert und analysiert, welche Fremdgene ins Erbmaterial integriert wurden. „So haben wir herausgefunden, welcher Zelltyp welches Genset aus unserer Bank benötigt, um sich langfristig vermehren zu lassen. Außerdem haben wir die Funktionen der Zellen getestet: Zum Beispiel haben wir untersucht, mit welchem Genset immortalisierte Leberzellen auch weiterhin in der Lage sind, Giftstoffe abzubauen“, sagt Tobias May.

Insgesamt haben die Wissenschaftler auf diese Weise bisher mehr als 20 Zelltypen aus acht verschiedenen Spezies unsterblich machen können, darunter auch menschliche Zellen. „Die immortalisierten Zelllinien haben wir außerdem in Mäuse transplantiert und dort untersucht, ob sie ihre natürliche Funktion übernehmen können“, sagt Prof. Dagmar Wirth, die am HZI die Arbeitsgruppe „Modellsysteme für Infektion und Immunität“ leitet und eng mit dem Team von InSCREENeX zusammenarbeitet. „Menschliche Endothelzellen, in die wir unsere Genkombination eingebaut haben, haben in Mäusen wieder Blutgefäße ausgebildet, die sogar an das Gefäßsystem der Maus angeschlossen wurden.“ Somit ermöglicht die neue Methode auch, die Wirkung neuer Substanzen auf menschliche Zellen im Mausmodell testen zu können.

Da sich Zellen jedes Spenders mit der Methode der Braunschweiger Forscher vermehren und robust kultivieren lassen, eröffnen sich auch neue Möglichkeiten in der personalisierten Medizin: „Menschen haben eine unterschiedliche genetische Ausstattung und können dadurch beispielsweise Medikamente unterschiedlich umsetzen. Auch die Toxizität und die Nebenwirkungen von Medikamenten können sich von Patient zu Patient unterscheiden“, sagt Wirth. „Unsterbliche funktionale Zellen verschiedener Menschengruppen lassen nun genaue Wirkstofftests zu, um Wirkstoffe optimal auf jede Gruppe abzustimmen.“ Und auch die Vermehrung von Zellen aus erkrankten Organen sei möglich, sodass Therapieansätze künftig direkt an den veränderten Patientenzellen getestet werden könnten.

Originalveröffentlichung:
Christoph Lipps, Franziska Klein, Tom Wahlicht, Virginia Seiffert, Milada Butueva, Jeannette Zauers, Theresa Truschel, Martin Luckner, Mario Koester, Roderick MacLeod, Joern Petzold, Jochen Huehn, Qinggong Yuan, Peter Paul Müller, Henning Kempf, Robert Zweigerdt, Oliver Dittrich-Breiholz, Thomas Pufe, Rainer Beckmann, Wolf Drescher, Jose Riancho, Carolina Sañudo, Thomas Korff, Bertram Opalka, Vera Rebmann, Joachim R. Göthert, Paula M. Alves, Michael Ott, Roland Schucht, Hansjörg Hauser, Dagmar Wirth, Tobias May: Expansion of functional, personalized cells with specific transgene combinations, Nature Communications (2018); DOI: 10.1038/s41467-018-03408-4.

Weitere Informationen:

https://www.helmholtz-hzi.de

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