Aktuelles

Hier finden Sie alle aktuellen Informationen aus dem LEBAO.

Aktuelle Meldungen

Skalierbarer Prozess zur Differenzierung von pluripotenten Stammzellen in Definitives Endoderm

Als Definitives Endoderm (DE) wird eine Struktur im frühen Embryo bezeichnet, aus der unter anderem respiratorisches Epithel, Leber, Bauspeicheldrüse und Darm entstehen. Diese Vorläuferzellen können aus pluripotenten Stammzellen differenziert werden. Anais Sahabian aus der AG Olmer (DZL Nachwuchsgruppe) hat nun ein Protokoll entwickelt, mit dem diese Zellen substratunabhängig in Suspensionskulturen und unter definierten Bedingungen aus pluripotenten Stammzellen differenziert werden können. Die DE-Zellen können somit in großen Mengen hergestellt werden, in unterschiedliche Zelltypen weiterdifferenziert werden bzw. zur späteren Verwendung eingefroren werden. Mögliche Anwendungsgebiete sind Hochdurchsatzscreeningverfahren, Toxikologiestudien und Zelltherapie. Mehr zur Faszination von Stammzellforschung und zur Motivation der beteiligten WissenschaftlerInnen finden Sie auf der Website BREATH Forschungsnetzwerks des Deutschen Zentrums für Lungenforschung (DZL, hier). Den Originalartikel in der Fachzeitschrift „Nature Protocols“ finden Sie hier.

Anais, Lika, Maike und Maria Elena haben ihre Doktorarbeiten trotz Einschränkungen und sozialer Distanzierung erfolgreich abgeschlossen

Auch im LEBAO mussten wir die Laborarbeit an die Pandemie-Regeln anpassen und wir alle geben unser Bestes, um mit der Situation umzugehen. Inmitten dieser Krise haben Anais Sahabian (AG Olmer), Lika Drakhlis (AG Zweigerdt), Maike Kosanke (AG Martin) und Elena Ricci Signorini (AG Gruh) ihre Doktorarbeiten mit hervorragenden Ergebnissen abgeschlossen und erfolgreich verteidigt. Die vier haben gleichzeitig das internationale PhD Programm „Regenerative Sciences“ absolviert. Wir sind stolz auf diese großartige Leistung und gratulieren den Absolventinnen!

 

Während Lika, Mike und Maria Elena eine Postdoktorandenstelle im LEBAO antraten, ist Anais in ihr Heimatland, die USA zurückgekehrt, um sich im Bereich der Lungenforschung weiterzuentwickeln. Wir wünschen allen viel Erfolg auf ihrem weiteren Karriereweg!

Text: Julia Dahlmann


Interdisziplinäres Team findet neue Wege für die PCD-Forschung

Bei der Primären Ciliären Dyskinesie (PCD) handelt es sich um eine sehr seltene erbliche Systemerkrankung, die bei Betroffenen u.a. zur Sekretretention und in Folge zu einer chronischen Entzündung und oft auch chronischen Infektion der Atemwege führt. Bisher wurde die weitere Erforschung dieser Erkrankung durch das nur in geringem Umfang für Untersuchungen zur Verfügung stehende Zellmaterial erschwert. Durch interdisziplinäre Zusammenarbeit gelang es BREATH WissenschaftlerInnen nun, induzierte pluripotente Stammzellen herzustellen, mit denen unbegrenzte Mengen an Untersuchungsmaterial hergestellt werden können

Die Primäre Ciliäre Dyskinesie (PCD) ist eine seltene, angeborene und unheilbare Erkrankung der Atemwege. PatientInnen mit PCD leiden an chronischen Infektionen, Entzündungen und in der Folge zum Teil sogar an irreparablen Gewebeschäden. Anlässlich des Internationalen Tages der seltenen Erkrankungen berichteten wir über den langen Weg zur Diagnose und die alltäglichen Einschränkungen eines Betroffen. Die Krankheitsursache ist eine Fehlfunktion der Flimmerhärchen (auch Zilien genannt) des respiratorischen Epithels, einer speziellen Schutz- und Funktionsschicht aus Zellen, welche die Atemwege auskleiden. Die molekularen Mechanismen der Krankheitsentstehung sind bisher allerdings noch unvollständig aufgeklärt. Bis heute kennt man PCD-verursachende Mutationen in ca. 50 Genen, die von einer Fehlbildung durch Beeinträchtigung der Dyneinarme der Zilien über die Fehlfunktion durch abnormales Schlagmuster bis hin zum vollständigen Fehlen von Zilien (Zilienagenesie) reichen. Hierdurch wird der Transport des Atemwegssekrets und damit auch die Befeuchtung und Reinigung der Atemwege beeinträchtigt.
Derzeit gibt es keine zugelassene und spezifische Therapie für PCD. Oftmals besteht die Behandlung allein in der Behandlung der Symptome, indem Sekretablagerungen mittels Inhalationen und Atemphysiotherapie verringert und die häufigen Infektionen mit Antibiotika kontrolliert werden. Detailliertere Studien waren bis heute dadurch erschwert, dass den Forschenden Zellmaterial für Untersuchungen nicht im erforderlichen Umfang und in verlässlicher Qualität verfügbar war.

Bei BREATH, dem hannoverschen Standort des Deutschen Zentrums für Lungenforschung (DZL), arbeitet ein interdisziplinäres Team um die Grundlagenwissenschaftler Dr. Ruth Olmer und Prof. Ulrich Martin (Herz-, Thorax-, Transplant- und Gefäßchirurgie und den Leibniz Forschungslaboratorien für Biotechnologie und künstliche Organe; MHH) und den Kliniker PD Dr. Felix Ringshausen (Oberarzt in der Klinik für Pneumologie; MHH) in einem translationalen Ansatz daran, diesen Engpass zu beseitigen. Es gelang den Forschenden, Blutzellen von drei PCD-Patienten mit unterschiedlichen Mutationen in relevanten Genen (CCNO (fehlende Zilien), DNAH5 (abnormale Ultrastruktur der Zilien) und NME5 (dysfunktionale Zilien)) zu isolieren und hieraus induzierte pluripotente Stammzellen herzustellen. Diese Zellen lassen sich im Labor unbegrenzt vermehren und zu Zilien-tragenden Atemwegszellen differenzieren. Hierdurch steht den Forschenden zukünftig ausreichend Untersuchungsmaterial zur Verfügung, um ein in vitro-Modell der PCD zu entwickeln.

Basierend auf diesem neuen Modell können in Zukunft Krankheitsursachen genauer untersucht und innovative zielgerichtete Therapieoptionen entwickelt werden. Dieser spannenden und herausfordernden Aufgabe will sich das Team in Zukunft widmen.

Die Originalpublikationen finden Sie hier:

Text: BREATH

Hochdurchsatzverfahren und Stammzelltechnologie unterstützen die Suche nach CFTR-Modulatoren

Die genetische Lungenerkrankung Mukoviszidose ist bisher nicht heilbar. Lediglich für bestimmte Mutationsformen ist seit November 2015 in Deutschland die erste Therapie mit CFTR-Modulatoren (CFTR = cystic fibrosis transmembrane conductance regulator) zugelassen, die eine ursächliche Therapie des krankheitsverursachenden, defekten CFTR-Ionenkanals ermöglichen. Wissenschaftler der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Ulrich Martin und Dr. Ruth Olmer entwickelten an der Medizinischen Hochschule Hannover (MHH) ein Verfahren, um mittels krankheitsspezifischer, induzierter pluripotenter Stammzellen (iPSCs) im Hochdurchsatzverfahren weitere mögliche CFTR-Modulatoren zu identifizieren.

Bisher gilt die genetische Lungenerkrankung Mukoviszidose als nicht heilbar, lange Zeit war ausschließlich eine symptomatische Behandlung möglich. Mit der ersten Zulassung eines sogenannten CFTR-Modulators für Patienten mit bestimmten Mutationen des CFTR-Gens steigt die Hoffnung, bald auch eine ursächliche Therapie für mehr Patienten zu finden. Mehr als 2.000 verschiedene Mutationen des CFTR-Gens sind für unterschiedliche Defekte der  CFTR-Ionenkanäle und damit auch den Schweregrad der Erkrankung verantwortlich. Es ist daher nicht möglich, mit einem einzigen Medikament alle Patienten zu therapieren.

Prof. Dr. Ulrich Martin und Dr. Ruth Olmer, Wissenschaftler bei BREATH, dem hannoverschen Standort des Deutschen Zentrums für Lungenforschung, entwickelten nun mit Ihren Mitarbeiterinnen ein Verfahren, um im Hochdurchsatz mögliche CFTR-Modulatoren zu identifizieren. Das moderne Verfahren basiert auf dem Einsatz von induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs), die durch die Reprogrammierung menschlicher Körperzellen gewonnen werden. Diese Zellen können im Labor nahezu unendlich vermehrt und anschließend in verschiedenste Zellen differenziert werden. Zur Herstellung von iPSCs mit bestimmten krankheitsspezifischen Mutationen ist dabei bereits eine kleine Blutspende der Patienten ausreichend.

Dr. Sylvia Merkert und Dr. Madline Schubert verwendeten für ihr neues Verfahren iPSCs mit der CFTR-Genmutation p.Phe508del. Im Labor wurde ein genetischer Fluoreszenzreporter in diese Zellen eingeführt, dessen Fluoreszenzintensität mit der Funktionalität des CFTR-Ionenkanals korreliert. Da es zurzeit noch sehr aufwändig ist Lungenzellen in großer Menge zu differenzieren, wurden die iPS Zellen für das Hochdurchsatz-Screening stattdessen in schneller und einfacher herzustellende Darmepithelzellen differenziert.  Behandelt man diese Zellen mit potentiell wirksamen Substanzen, kann durch die Veränderung des Fluoreszenzsignals in Echtzeit die Aktivität des Kanals gemessen werden, und damit bestimmt werden ob eine Substanz als mögliches Medikament in Frage kommt. Auf diese Weise untersuchten die BREATH-Forscherinnen automatisiert bereits über 42.500 verschiedene Substanzen, wovon sich ca. 20 als potentiell wirksam auf die Aktivität des CFTR-Ionenkanals zeigten. Die Ergebnisse wurden im Journal Stem Cell Reports veröffentlicht.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass krankheitsspezifische iPSCs sehr gut geeignet sind, um automatisierte Medikamentenscreenings nach CFTR-Modulatoren durchzuführen“ fasst Prof. Ulrich Martin die Bedeutung dieser Arbeit zusammen. „Die Verwendung von Patientenzellen im ersten Screening-Prozess ist eine wesentliche Neuerung zu früheren Testsystemen, die auf Tumorzelllinien beruhten. Im nächsten Schritt werden wir nun mit unseren Kooperationspartnern die zehn vielversprechendsten Substanzen weiter in primären Lungenzellen untersuchen. Es kann leider immer noch sein, dass sie als Medikament ungeeignet sind. Auch könnte es notwendig sein, toxische Wirkungen durch chemische Veränderungen am Molekül zu reduzieren“ sagt Dr. Merkert.
Generell ermöglichen es die patienteneigenen, induzierten pluripotenten Stammzellen, viele Krankheitsbilder zum Beispiel der Lunge, des Herzens oder des Blutgefäßsystems im Labor nachzustellen. „In Zukunft wollen wir dazu auch kleine, vielzellige „Organoide“ verwenden, um den Bedingungen im Menschen noch näher zu kommen. Moderne Hochdurchsatz-Verfahren in Verbindung mit der Stammzelltechnologie werden in Zukunft die Entwicklungszeit neuer Medikamente verkürzen und auch die Zahl der notwendigen Tierversuche deutlich einschränken,“ beschreibt Dr. Olmer die weiteren Pläne ihrer Arbeitsgruppe.

Die Originalpublikation finden Sie hier.

Text: BREATH / SM, AB


BREATH-Forscherin entwickelt Protokoll zur Generierung großer Mengen Endothelzellen

Endothelzellen (ECs) sind an verschiedensten zellulären Prozessen beteiligt, wie z.B. der Immunantwort, Entzündungen und Regulation des Blutflusses. Sie werden in Zelltherapien verwendet und sind eine wichtige Komponente bei der Herstellung von Gewebekonstrukten sowie in in vitro Krankheitsmodellen. Obwohl die Isolierung primärer ECs aus verschiedenen Quellen gezeigt werden konnte, stellt die Generierung ausreichender Zellmengen in stabiler Qualität noch immer eine Hürde dar. Dr. Ruth Olmer konnte nun ein skalierbares Protokoll zur Generierung von ECs aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen entwickeln.

Endothelzellen sind an verschiedensten zellulären Prozessen beteiligt, wie z.B. der Immunantwort, Entzündungen und Regulation des Blutflusses. Sie werden in Zelltherapien verwendet und sind eine wichtige Komponente bei der Herstellung von Gewebekonstrukten sowie in in vitro Krankheitsmodellen. Obwohl die Isolierung primärer ECs aus verschiedenen Quellen gezeigt werden konnte, stellt die Generierung ausreichender Zellmengen in stabiler Qualität noch immer eine Hürde dar. Dr. Ruth Olmer konnte nun ein skalierbares Protokoll zur Generierung von ECs aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen entwickeln.

Endothelzellen – spezialisierte, flache Zellen, die die Innenseite der Blutgefäße auskleiden, sind an verschiedenen zellulären Reaktionen beteiligt. Veränderungen der Zellfunktion stehen mit einer Reihe von krankhaften Prozessen wie der Arteriosklerose, dem Pumpversagen des Herzens (kongestive Herzinsuffizienz) oder dem Lungenhochdruck (pulmonale Hypertonie) in Verbindung. Daher werden ECs bereits seit längerer Zeit als in vitro Modelle verwendet, um beispielsweise vaskuläre Fehlfunktionen zu untersuchen. Darüber hinaus werden ECs als wichtige Komponenten beim sogenannten Tissue-Engineering eingesetzt. Die Herstellung ausreichender Mengen von ECs in gleichbleibend sehr hoher Qualität für klinische Anwendungen, wie z.B. Zelltherapie, stellt allerdings eine große Hürde dar. Eine alternative Zellquelle zu den limitierten primären ECs sind humane induzierte pluripotente Stammzellen (hiPSC). Diese Zellen werden durch die sogenannte Reprogrammierung von Körperzellen hergestellt und sind nicht nur in der Lage, sich unendlich zu vermehren, sondern können auch in sämtliche Zellen des Körpers, also auch ECs, differenzieren. Darüber hinaus erlaubt die Reprogrammierung die Herstellung von patienten – bzw. krankheitsspezifischen Zellen.

In der Lungenforschung ist eine angestrebte Anwendung von ECs u.a. die Extrakorporale Membranoxygenierung, (ECMO). Bei diesem Organersatzverfahren, übernimmt eine Maschine zeitweise die Atemfunktioneneines Patienten. Dabei wird Blut kontinuierlich durch einen sogenannten Oxygenator gepumpt, der mithilfe von Membranen den Gasaustausch in der Lunge ersetzt: Kohlenstoffdioxid wird entfernt und das Blut mit Sauerstoff angereichert. In der ECMO werden dazu besondere, gasaustauschende Membranen verwendet. Die Besiedlung dieser Membranen mit Endothelzellen soll die Hämokompatibilität erhöhen und somit die Komplikationen (z.B. Verklumpungen) verringern und die Anwendungsdauer der Gasaustauschmembranen verlängern.

Daneben können ECs, die durch Reprogrammierung von hiPSCs von Patienten mit pulmonaler Hypertonie gewonnen wurden, als neues relevantes in vitro Zellkulturmodel, zur Aufklärung der zu Grunde liegenden Mechanismen der Krankheitsentstehung dienen.

Für diese und andere zukünftige Anwendungen müssen ECs in großer Menge und gleichbleibender Qualität bereitgestellt werden. Eine im Fachjournal Stem Cell Reports publizierte Arbeit der BREATH-Wissenschaftlerin Ruth Olmer, Arbeitsgruppenleiterin an den Leibniz Forschungslaboratorien für Biotechnologie und künstliche Organe (LEBAO) der MHH, stellte nun einen robusten, skalierbaren Ansatz für die effiziente Differenzierung von hiPSCs in ECs vor. Dr. Olmer konnte zeigen, dass mit dem von ihrer Arbeitsgruppe entwickelten Protokoll nicht nur eine große Anzahl ECs erzeugt werden kann, sondern dass die so hergestellten Zellen auch alle für diese Zellen typischen Eigenschaften zeigen und über längere Zeit im Labor vermehrt werden können. Durch dieses Protokoll eröffnen sich für eine Vielzahl von Forschungsfeldern und Anwendungsgebieten, insbesondere die Lungenforschung, neue Möglichkeiten.

Text: BREATH / CD