Die Ratten- und Mauschimäre zeigt die normale Entwicklung des Embryos (B) und der inneren Organe: Niere, Herz, Leber, Lunge, Bauchspeicheldrüse und Gehirn im Wirtsorganismus (C)Pluripotenz ist eine einzigartige Eigenschaft embryonaler Stammzellen, die sich gemäß einem bestimmten Embryo-Entwicklungsprogramm und anderen Bedingungen in einen der 200 bekannten Typen somatischer Zellen verwandeln kann. Wissenschaftler haben gelernt, diese Zellen aus menschlichen Embryonen zu entnehmen und im Labor zu kultivieren. Zahlreiche Experimente haben gezeigt, dass in diesem Fall pluripotente Zellen die Fähigkeit behalten, sich in beliebige Zelltypen zu differenzieren, einschließlich Spermien und Eizellen.
Im Labor ist es jedoch sehr schwierig, ein vollwertiges Organ aus Stammzellen zu züchten, da es fast unmöglich ist, die menschliche Physiologie von Grund auf neu zu erschaffen. Wissenschaftler wissen immer noch nicht, wie man Zellen mit solcher Genauigkeit programmiert. Wir brauchen eine natürliche Umgebung, in der das Programm zur Entwicklung von Zellen im gewünschten Organ selbst aktiviert wird. Ein idealer Embryo wäre ein menschlicher oder Primatenembryo, aber solche Versuche sind gesetzlich verboten. Daher haben Wissenschaftler einen Ausweg in der Verwendung von Embryonen von Tieren gefunden, die dem Menschen physiologisch nahe stehen - Schweinen und Rindern. In Industrieländern sind Experimente mit diesen Embryonen weiterhin zulässig.
Um dieses Problem zu lösen, sind Chimären perfekt geeignet - Organismen, die aus genetisch heterogenen Zellen bestehen. In Chimären können Organe eines anderen Organismus gezüchtet werden. Eine Reihe
solcher Experimente wurde von einer Gruppe von Wissenschaftlern des Salk Institute for Biological Research (Kalifornien) durchgeführt. Insbesondere gelang es ihnen, mit den Anfängen menschlicher Organe erstmals eine Chimäre eines Schweineembryos zu erzeugen.
Chimären sind aus wissenschaftlicher Sicht sehr interessante Organismen. Sie können ein wertvolles Werkzeug für die wissenschaftliche Forschung sein und sie in klinischen Studien und zur Organtransplantation einsetzen.
Jetzt ist die Situation mit Spenderorganen sehr angespannt. Beispielsweise beträgt die durchschnittliche Wartezeit für eine Niere etwa 10 Jahre. Die durchschnittliche Lebensdauer der Dialyse beträgt 5 Jahre. Wenn man an die Technik des Anbaus von Chimären denkt, kann eine geeignete Niere viel schneller gezüchtet werden, solange eine Person noch lebt.
Mithilfe der genetischen Bearbeitungstechnik CRISPR-Cas9 und der neuesten Stammzellverarbeitungstechnologien implantierten Wissenschaftler erfolgreich Stammzellen in den Embryo und züchteten verschiedene Rattenorgane - Bauchspeicheldrüse, Herz und Augen - im Mauskörper. Dieses Experiment bestätigte die konzeptionelle Möglichkeit eines solchen Verfahrens zur Gewinnung von Spenderorganen.
Anschließend implantierten die Forscher pluripotente menschliche Zellen in Schweineembryonen und untersuchten die Entwicklung menschlicher Gewebe und Organe. Dies ist der erste Schritt zu detaillierteren Untersuchungen zur Kultivierung menschlicher Organe in anderen Organismen, die in Größe, Physiologie und Anatomie geeignet sind.
Aus ihren pluripotenten Rattenstammzellen gewonnene Zellen entwickeln sich im Herzen eines genetisch veränderten Mausembryos2015 schuf ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Ispisua Belmonte die erste Chimäre, die die Entwicklung menschlicher Zellen in einem nicht lebensfähigen Mausembryo überwacht. Jetzt sind sie weiter gegangen, indem sie die genetische Bearbeitungstechnik CRISPR-Cas9 angewendet haben, um die Entwicklung pluripotenter Zellen in bestimmten Organen zu spezifizieren.
Mithilfe der genetischen Bearbeitung von CRISPR-Cas9 haben Wissenschaftler den Wirtsembryo verändert, indem sie die Gene deaktiviert haben, die für die Entwicklung eines bestimmten Organs verantwortlich sind - beispielsweise der Bauchspeicheldrüse. Dann werden die Stammzellen eines anderen Tieres (Ratte) mit dem aktiven Pankreasgen in den Embryo eingebracht. Der Embryo selbst entwickelt sich ganz normal im Körper einer Leihmutter, mit Ausnahme der Tatsache, dass er eine fremde Bauchspeicheldrüse hat.
Genau die gleichen Experimente wurden mit anderen Organen in der Ratten- und Maus-Chimäre durchgeführt - den Augen und dem Herzen. Wissenschaftler fanden auch heraus, dass pluripotente Rattenzellen unerwartet eine Gallenblase im Mausembryo bildeten, einem Organ, das bei Ratten fehlt. Dies weist darauf hin, dass pluripotente Spenderzellen stark vom Wirtsorganismus beeinflusst werden und dessen Entwicklungsprogramme übernehmen.
Es wird jedoch nicht einfach sein, ein menschliches Organ in einem Schwein aufzuziehen. Wissenschaftler achten auf eine Reihe von Schwierigkeiten, die bei der Kreuzung sehr unterschiedlicher lebender Organismen wie Menschen und Schweine auftreten. Solche Schwierigkeiten fehlen beim Organaufbau in genetisch verwandten Organismen. Beispielsweise variiert bei einer Person und einem Schwein die Tragzeit eines Fötus stark (bei einem Schwein 112 Tage).
Es wurde jedoch ein Experiment mit menschlichen Organen in Schweinefleischembryonen durchgeführt. Vorläufer menschlicher Gewebe wurden bis zum vierwöchigen Alter des Embryos erzeugt und entwickelt, wenn auch nicht mit solchen Erfolgsraten wie der Ratten- und Maus-Chimäre. Nur eine kleine Anzahl von Zellen überlebte - und sie entwickelten sich offensichtlich nicht zu etwas Lebensfähigem. Das Experiment wurde abgebrochen, um die Sicherheit und Wirksamkeit der Technologie zu bewerten.
Wenn Menschen Chimären im industriellen Maßstab anbauen, können sie das Problem des Organmangels bei Transplantationen weitgehend lösen. Millionen von Schweinen können mit menschlicher Leber, Bauchspeicheldrüse und Nieren aufgezogen werden.
Wissenschaftler erkennen an, dass das ultimative Ziel der Forschung mit Chimären die Kultivierung menschlicher Organe und Gewebe im industriellen Maßstab sein kann, aber dies ist eine sehr weit entfernte Perspektive. In den kommenden Jahren ist die Forschung auf diesem Gebiet eher von theoretischer als von praktischer Bedeutung. Sie werden ein besseres Verständnis der menschlichen Embryonalentwicklung vermitteln und dazu beitragen, einige Krankheiten zu untersuchen, die sonst nicht untersucht werden können.
Die wissenschaftliche Arbeit wurde am 26. Januar 2017 in der Zeitschrift
Cell (doi: 10.1016 / j.cell.2016.12.036) veröffentlicht.
In naher Zukunft wird die Forschung fortgesetzt, wenn die Behörden sie nicht verbieten. In jüngster Zeit haben konservative religiöse und öffentliche Organisationen gegen solche Experimente
protestiert .