AG Olmer

DZL Nachwuchsgruppe

Behandlung pulmonaler Erkrankungen mit pluripotenten Stammzellen: Differenzierung von embryonalen und induzierten pluripotenten Stammzellen in Epithelzellen der Atemwege und Alveolen

Erkrankungen des Atmungssystems wie beispielsweise die Chronisch Obstruktive Lungenerkrankung (COPD) zählen zu den häufigsten Todesursachen weltweit. Daneben gibt es weitere schwerwiegende Erkrankungen des respiratorischen Systems, die zwar unter „seltene Erkrankungen“ fallen, aber nicht minder lebensbedrohlich sind. Hierzu gehören die genetisch bedingte Mukoviszidose (auch Cystische Fibrose, CF) und die ebenfalls angeborenen Surfactant Defizienzen (SD).

Bei CF-Patienten ist aufgrund einer auf genetische Mutationen zurückzuführende Fehlfunktion des „Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator (CFTR)“, welcher als Chloridkanal fungiert, die Zusammensetzung des Sekrets aller exokrinen Drüsen verändert. Die Lungenmanifestation der CF ist geprägt durch zähflüssigen Schleim, der die Atemwege verlegt, häufig wiederkehrenden Lungeninfektionen und eine zunehmende Lungeninsuffizienz.

Angeborene SD gehen aufgrund eines Mangels an Surfactant (surface active agent), welches in den Alveolen als oberflächenaktive Substanz essenziell ist für die normale Atemfunktion, mit einer schweren Ateminsuffizienz einher. Bis heute sind Mutationen in drei verschiedenen Genen (ATP-binding cassette protein member A3, Surfactant Proteine B und C) als Ursache bekannt. Sowohl CF als auch SD verlaufen meist tödlich ohne Aussicht auf Heilung, im Endstadium kommt häufig nur die Lungentransplantation als lebensverlängernde Maßnahme infrage.

Hieraus leitet sich die Notwendigkeit ab, neue Therapieformen für Erkrankungen des Atmungssystems zu etablieren. Beispielsweise könnten Zellersatztherapien einen bedeutenden Beitrag zur Wiederherstellung der normalen Lungenfunktion sowohl bei genetisch bedingten als auch erworbenen Lungenerkrankungen leisten. Als Zellquelle eignen sich pluripotente Stammzellen aufgrund ihrer Fähigkeit, sich unbegrenzt zu vermehren und in alle Zelltypen differenzieren zu können. Insbesondere sogenannte induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen), die als autologe Alternative zu embryonalen Stammzellen (ES-Zellen) verwendet werden können, sind vielversprechende Kandidaten für eine solche Zellersatztherapie.

Unsere Nachwuchsgruppe innerhalb des Deutschen Zentrums für Lungenforschung (DZL) beschäftigt sich daher mit der Differenzierung von ES- und iPS-Zellen in Epithelzellen der Atemwege und Alveolen mit dem Ziel innovative Behandlungsmethoden für pulmonale Erkrankungen zu etablieren. Zusätzlich gefördert durch das BMBF-Verbundprojekt „Netzwerk zellbasierte Verfahren für seltene Lungenerkrankungen (CARPuD)“ liegt unser Fokus auf der Generierung von Clara-Zellen und zilientragenden Zellen des Atemwegepithels zur Behandlung der CF und Alveolarepithelzellen Typ II (ATII-Zellen) für die Therapie von SD. In Zusammenarbeit mit einem durch den Mukoviszidose e.V. geförderten Projekt der AG Martin werden parallel Technologien entwickelt, mit denen der zugrunde liegende Gendefekt in den patientenspezifischen iPS-Zellen korrigiert werden kann, bevor diese in die gewünschten respiratorischen Zellderivate differenziert werden (s. auch AG Martin).

Unserer Gruppe ist es bereits gelungen, effiziente Protokolle für die Differenzierung von murinen ES- und iPS-Zellen in Clara-Zellen und ATII-Zellen mittels der Applikation spezifischer (Wachstums-)faktoren zu etablieren. Die bedeutendste Hürde, welche es zu überwinden gilt, besteht jedoch in dem funktionellen Engraftment dieser Zellen zum Ersatz der betroffenen endogenen Epithelzellen. Zu diesem Zweck wird das therapeutische Potenzial der von ES-/iPS-Zellen abgeleiteten Lungenepithelzellen in entsprechenden Tiermodellen in Zusammenarbeit mit anderen Arbeitsgruppen des DZL evaluiert.

Von großer Bedeutung sowohl für die Optimierung von Differenzierungsprotokollen genauso wie für das Wirkstoffscreening sind humane iPS-Reporterzellinien welche mit Hilfe von TALEN-basierter homologer Rekombination hergestellt werden (AG Martin).

Der aktuelle Forschungsstand liefert somit die Basis für die Entwicklung innovativer stammzellbasierter Therapien für die Behandlung von Lungenerkrankungen.