Künstliche embryoartige Struktur aus einzelner Mauszelle hergestellt

Dargestellt sind blastozystenartige Strukturen (Blastoide) aus kultivierten Mauszellen, die für den Trophektoderm-Marker CDX2 (grün) und den inneren Zellmassenmarker SOX2 (rot) immunfluoreszierend gefärbt wurden. /Salk Institute Waitt Advanced Biophotonics Core Facility

La Jolla, Dallas – Wissenschaftlern ist es gelungen, aus einzelnen, besonders entwick­lungs­fähigen Stammzellen von Mäusen eine embryoähnliche Struktur zu entwickeln und diese in Muttertiere zu implantieren. Den Schritt hin zu künstlichen Embryonen, die ohne Befruch­tung der Eizelle durch Spermien in vitro erzeugt werden, publizierten sie in Cell (2019; doi: 10.1016/j.cell.2019.09.029).

Für ihre Experimente nutzten die Forscher nur einen Stammzelltyp: besonders entwick­lungs­fähige Stammzellen (expanded potential stem cells; EPS cells). Anders als normale embryonale Stammzellen können sich EPS-Zellen nicht nur zu den 3 Keimblättern ent­wickeln. Sie besitzen auch die Fähigkeit, dass die Hülle des Embryos (Trophoblast) ent­steht, aus dem sich später die Plazenta entwickelt. Sie werden bei der Maus aus Blasto­meren des Achtzell-Stadiums abgeleitet.

Eine embryonenähnliche Struktur entwickelte sich in einer speziellen 3D-Zellkultur­vor­richtung nur dann, wenn die einzelnen EPS-Zellen zu Beginn von weiteren EPS-Zellen unterstützt wurden. Diese Helferzellen entfernten die Forscher nach und nach innerhalb der ersten 24 Stunden.

Die potenten EPS-Zellen wuchsen zu einer der Blastozyste ähnlichen Struktur heran, die die Forscher EPS-Blastoid nennen. Diese Embryogenese klappt bei der Maus jedoch nur mit einer Effizienz von 2,7 %. In vielen Untersuchungen konnten die Autoren der Studie morphologische und molekularbiologische Ähnlichkeit mit einer natürlichen, durch Befruchtung entstandenen Blastozyste zeigen. In letzter Instanz zeigten die Forscher, dass sich die EPS-Blastoide in 7 % der Fälle in den Uterus scheinschwangerer Mäuse einnisten konnten.

„Die neue Studie stellt einen wichtigen Fortschritt dar, und zeigt, dass es möglich ist, embryoähnliche Strukturen aus nur einem Stammzelltyp zu generieren. Die wichtigen neuen Erkenntnisse sind, dass die EPS-Embryonen nicht nur aus EPS-Zellen, sondern auch aus induzierten erweiterten pluripotenten Zellen (iEPS-Zellen), die von Fibroblasten der Maus stammen, generiert wurden“, erklärte Monika Nowak-Imialek, Wissenschaftlerin am Institut für Nutztiergenetik, Friedrich-Loeffler-Institut, Bundesforschungsinstitut für Tiergesundheit, Neustadt am Rübenberge.

Denn selbst wenn die Autoren erwachsene Körperzellen als Ausgangsmaterial verwende­ten, konnten sie in 15 % der Versuche embryoähnliche Gebilde züchten. Auch diese nis­teten sich in die Gebärmutter ein. Allerdings verlief die weitere Entwicklung dieser Em­bry­onen nicht normal, sondern teilten nur grundlegende Entwicklungselemente mit natürlichen Embry­onen; sie scheinen nicht dauerhaft entwicklungsfähig zu sein.

Nicht gänzlich überzeugt äußerte sich Michele Boiani, Leiter der Arbeitsgruppe „Mouse Embryology“ vom Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin in Münster zu den Ergebnissen: „Die in der Publikation gezeigte Entwicklungsfähigkeit der Blastoiden bezieht sich vor allem auf die präimplantative Entwicklung, die sehr beeindruckend ist.“

Für den Forscher ist Vorsicht geboten, da sich der Aufbau der Gebärmutterschleimhaut, in die sich die Blastozyste einnisten kann, als in vivo-Marker des Entwicklungspotenzials genannt wird. „Sogar exogene Faktoren, wie etwa Tropfen von Sesamöl, können in der Maus eine Art von Dezidualisierung des Endometriums hervorrufen“, erläuterte Boiani seine Bedenken und verweist auf eine Studie in Biology of Reproduction aus dem Jahr 1976.

Wenn sich die Embryonen vollständig in Embryomedium entwickeln würden, dann wäre ich völlig überzeugt. Michele Boiani, Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin in Münster

Die Ähnlichkeit zu den echten Embryonen ist für den Forscher aus Münster zwar sehr überzeugend. „Trotzdem ist zu beachten, dass die Blastoiden unter Kulturbedingungen gewachsen sind, die einer normalen Entwicklung nicht ganz entsprechen, da eine 1:1-Mischung von Embryo- und Stammzellmedium verwendet wurde. Wenn sich die Embry­onen vollständig in Embryomedium entwickeln würden, dann wäre ich völlig überzeugt.“

Erst kürzlich gelang es Wissenschaftlern, EPS-Zellen auch von Schwein und Mensch zu kultivieren (Nature Cell Biology 2019). Alle diese Fortschritte laufen darauf hinaus, künftig künstliche Embryonen in der Petrischale erzeugen zu können. Auf den Menschen bezogen heißen sie synthetische, menschliche Entitäten mit embryoartigen Eigenschaf­ten (synthetic human entities with embryo-like features (SHEEFs)). Damit verbunden sind Fragestellungen, wie die Forschung und Anwendung rechtlich und ethisch beurteilt werden sollte.

Die Realisierbarkeit von SHEEFs hält Bioani aber für gegeben. „Mit der Aussage ‚volle Funktionsfähigkeit‘ wäre ich trotzdem vorsichtig, weil der Goldstandard für den Beweis immer noch die Geburt ist. Dieses Ziel ist definitiv noch nicht erreicht.“

Er weist zudem darauf hin, dass die Entwicklung in anderen Säugetierarten 10-mal so lange als bei der Maus dauere, sodass Fehler korrigiert werden könnten. „Aus meiner Sicht könnte ein langsameres Tempo – wie beim Menschen – rein theoretisch die Entwicklung von synthetischen Embryonen aus EPS-Zellen begünstigen“, sagte er. © gie/aerzteblatt.de