Vortrag von Prof. Hans R. Schöler

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10. November, 2012
Münster
Das Potenzial künstlich erzeugter
Stammzellen in Forschung und Medizin
Hans R. Schöler
Max Planck Institute for Molecular Biomedicine
Department of Cell and Developmental Biology
Münster, Germany
1997
1998
Stammzelltherapien könnten
vielen Menschen helfen
Aus: Patients' voices: the powerful sound in the stem cell debate. D. Perry.
Science 287, 1423 (2000).
Das Dilemma humaner ES Forschung
Pluripotente Alleskönnerzellen
Befruchtung
Einnistung (Tag 6)
Alleskönner-Stammzellen
im Embryo
Kultivierung
Embryonale Stammzellen
in Kultur
(Alleskönner-Stammzellen)
Pluripotente Alleskönnerzellen
Totipotent
Fertilized egg
Embryonic
stem cells
Pluripotent
All-rounders
5-days old embryo
Pluripotent stem cells
Multipotent
Specialists
Adult stem cells
Unipotent
Differentiated cells
Skin, neurons
Muscle, blood
Pancreas, lung
Germ cells
In vitro Differenzierung von pluripotenten
Zellen in Kardiomyozyten
Das Leben beginnt - auf alle Fälle
- in einer Zelle.
Doch manchmal endet es bei Strolchen - in einer solchen.
Freitag, 8. Juni 2007, Nr. 130 / Seite 33
Reprogrammierung von Körperzellen
August 2006
Viruses with reprogramming factors
Induction of Pluripotent Stem Cells
from Mouse Embryonic and Adult
Fibroblast Cultures by Defined Factors
Kazutoshi Takahashi1 and Shinya Yamanaka1,2,*
1
Department of Stem Cell Biology, Institute for Frontier Medical Sciences, Kyoto University, Kyoto 606-8507, Japan
CREST, Japan Science and Technology Agency, Kawaguchi 332-0012, Japan
*Contact: [email protected]
DOI 10.1016/j.cell.2006.07.024
2
SUMMARY
Oct4 Sox2
Klf4
c-Myc
Differentiated cells can be reprogrammed to an
embryonic-like state by transfer of nuclear contents into oocytes or by fusion with embryonic
stem (ES) cells. Little is known about factors
that induce this reprogramming. Here, we demonstrate induction of pluripotent stem cells
from mouse embryonic or adult fibroblasts by
introducing four factors, Oct3/4, Sox2, c-Myc,
and Klf4, under ES cell culture conditions.
Unexpectedly, Nanog was dispensable. These
cells, which we designated iPS (induced pluripotent stem) cells, exhibit the morphology and
growth properties of ES cells and express ES
cell marker genes. Subcutaneous transplantation of iPS cells into nude mice resulted in
tumors containing a variety of tissues from all
three germ layers. Following injection into blastocysts, iPS cells contributed to mouse embryonic development. These data demonstrate
that pluripotent stem cells can be directly generated from fibroblast cultures by the addition
of only a few defined factors.
or by fusion with ES cells (Cowan et al., 2005; Tada
et al., 2001), indicating that unfertilized eggs and ES cells
contain factors that can confer totipotency or pluripotency
to somatic cells. We hypothesized that the factors that
play important roles in the maintenance of ES cell identity
also play pivotal roles in the induction of pluripotency in
somatic cells.
Several transcription factors, including Oct3/4 (Nichols
et al., 1998; Niwa et al., 2000), Sox2 (Avilion et al., 2003),
and Nanog (Chambers et al., 2003; Mitsui et al., 2003),
function in the maintenance of pluripotency in both early
embryos and ES cells. Several genes that are frequently
upregulated in tumors, such as Stat3 (Matsuda et al.,
1999; Niwa et al., 1998), E-Ras (Takahashi et al., 2003),
c-myc (Cartwright et al., 2005), Klf4 (Li et al., 2005), and
b-catenin (Kielman et al., 2002; Sato et al., 2004), have
been shown to contribute to the long-term maintenance
of the ES cell phenotype and the rapid proliferation of
ES cells in culture. In addition, we have identified several
other genes that are specifically expressed in ES cells
(Maruyama et al., 2005; Mitsui et al., 2003).
In this study, we examined whether these factors could
induce pluripotency in somatic cells. By combining four
selected factors, we were able to generate pluripotent
cells, which we call induced pluripotent stem (iPS) cells,
directly from mouse embryonic or adult fibroblast cultures.
Shinya Yamanaka
INTRODUCTION
Mouse fibroblast
Embryonic stem (ES) cells, which are derived from the inner cell mass of mammalian blastocysts, have the ability
to grow indefinitely while maintaining pluripotency and
the ability to differentiate into cells of all three germ layers
(Evans and Kaufman, 1981; Martin, 1981). Human ES cells
might be used to treat a host of diseases, such as Parkinson’s disease, spinal cord injury, and diabetes (Thomson
et al., 1998). However, there are ethical difficulties regarding the use of human embryos, as well as the problem of
tissue rejection following transplantation in patients. One
way to circumvent these issues is the generation of pluripotent cells directly from the patients’ own cells.
Somatic cells can be reprogrammed by transferring
their nuclear contents into oocytes (Wilmut et al., 1997)
induced pluripotent
stem cell
iPS
RESULTS
We selected 24 genes as candidates for factors that
induce pluripotency in somatic cells, based on our
hypothesis that such factors also play pivotal roles in the
maintenance of ES cell identity (see Table S1 in the
Supplemental Data available with this article online). For
b-catenin, c-Myc, and Stat3, we used active forms,
S33Y-b-catenin (Sadot et al., 2002), T58A-c-Myc (Chang
et al., 2000), and Stat3-C (Bromberg et al., 1999), respectively. Because of the reported negative effect of Grb2
on pluripotency (Burdon et al., 1999; Cheng et al., 1998),
we included its dominant-negative mutant Grb2DSH2
(Miyamoto et al., 2004) as 1 of the 24 candidates.
Cell 126, 1–14, August 25, 2006 ª2006 Elsevier Inc. 1
CELL 2843
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2012
John B. Gurdon
John B. Gurdon eliminated the nucleus of a frog egg cell (1) and
replaced it with the nucleus from a specialised cell taken from a
tadpole (2). The modified egg developed into a normal tadpole (3).
Subsequent nuclear transfer experiments have generated cloned
mammals (4).
Shinya Yamanaka
Shinya Yamanaka studied genes that are important for stem cell function. When he transferred four such
genes (1) into cells taken from the skin (2), they were reprogrammed into pluripotent stem cells (3) that could
develop into all cell types of an adult mouse. He named these cells induced pluripotent stem (iPS) cells.
iPS cells can now be generated
from humans, including patients
with disease. Mature cells including
nerve, heart and liver cells can be
derived from these iPS cells, thereby
allowing scientists to study disease
mechanisms in new ways.
© 2012 The Nobel Committee for Physiology or Medicine
The Nobel Prize® and the Nobel Prize® medal design mark are registered trademarks of the Nobel Foundation
Illustration and layout: Mattias Karlén
… eine Waschmaschine für Shinya Yamanaka
•und 400 Mio $ für 10 Jahre
2
Embryonale Stammzellen
und reprogrammierte Zellen im Vergleich
Befruchtung
Einnistung (Tag 6)
Alleskönner-Stammzellen
im Embryo
Kultivierung
Künstlich hergestellte
Alleskönner-Stammzellen
in Kultur
Reprogrammierung
Körperzellen
Embryonale Stammzellen
in Kultur
(Alleskönner-Stammzellen)
induzierte pluripotente Stammzellen - iPS Zellen
Gesellschaftlich akzeptierte Lösung mit großem Potential für neue Therapien
Oct4
Sox2
Klf4
c-Myc
Reprogrammierungsfaktoren
Embryo
(5 Tage alt)
Hautzelle
Befruchtung
Pluripotente
Stammzellen
im Embryo
Embryonale
Stammzellen
in Kultur
Reprogrammierung
künstlich hergestellte
Stammzellen
Nervenzellen
induzierte pluripotente
Stammzellen
iPS-Zellen
Leberzellen
Herzmuskelzellen
Dies sind
embryonale Stammzellen.
Aber sind sie von der
Maus oder vom Menschen?
Morphologie von pluripotenten Stammzellen
Morphologie von ES und iPS Kolonien
von einem Embryo
ES colony
SEM
abgeleitet
mouse
von einer Körperzelle
iPS colony
Reprogrammierung von Körperzellen
Februar 2009
Oct4 Sox2 Klf4 c-Myc
induzierte Alleskönner
WN
Nervenzelle der Maus
induzierte pluripotente
Stammzelle
iPS
Die abnehmende Potenz der Zellen
ist nun überwunden
AlleskönnerStammzellen
Ausgereifte Zellen
Hautzelle
Leberzelle
Herzmuskelzelle
Süddeutsche Zeitung
WISSEN
Februar 2005
“Yamanaka Cocktail” August 2006
Oct4
Sox2
Klf4
c-Myc
cMyc
Oct4
KLF4
Lucas Cranach
Sox2
1546: Der Jungbrunnen
Direkte Reprogramming von Hautzellen
in Neurale Stammzellen durch Faktoren
Brn4 Sox2 Klf4 c-Myc
Direkte Reprogramming von Hautzellen
in Neurale Stammzellen durch Faktoren
bislang mehr als 130 Passagen stabil in Kultur gehalten
in vitro Differenzierungs-Potential von iNSCs
Electrophysiologische Eigenschaften von
Kontroll NSC- und iNSC-abgeleiteten Neuronen
Representative voltage-clamp recordings in response to increasing voltage pulses
from neurons derived from control NSCs, 5F iNSCs, and 4F iNSCs after 7–16 days of
differentiation. Insets represent higher magnification of sodium currents. Both single
and multiple action potentials were detected in neurons derived from control NSCs,
5F iNSCs, and 4F iNSCs.
In vivo Transplantation von iNSCs
The transplanted iNSCs showed differentiation into
neurons (GFP+/Tuj1+/Dcx+)
astrocytes (GFP+/GFAP+/NG2+)
oligodendrocytes (GFP+/S100ß+/Olig2+)
immunohistochemistry
In vivo Transplantation von iNSCs
Representative
immunofluorescence images of
differentiated control NCS, 4F
iNSCs, and 5F NSCs after
14-21 of differentiation. All
three NSC types behaved
similarly in spontaneous
differentiation behavior and
differentiated into all major
neuronal subtypes, namely
GABAergic and glutamatergic
neurons, ChAT+ cholinergic
and TH+ dopaminergic neurons
(except that 4F iNSCs did not
differentiate into TH+ neurons).
Dotted VGlut1 expression in
proximity of Tuj1+ nerve fibres
suggested morphological
synapse formation.
ChAT, choline acetyltransferase; TH, tyrosine hydroxylase;
Scale bars, 50 μm and 20 μm (lowermost panel)
Die abnehmende Potenz der Zellen
ist nun überwunden
AlleskönnerStammzellen
NervenStammzellen
VielkönnerStammzellen
Ausgereifte Zellen
Hautzellen
Leberzellen
Nervenzellen
“Regeneration” of an Organ
Mögliche Anwendungen für iPS-Zellen
Patienten-spezifische pluripotente
Stammzellen für Transplantation
iPS-Zellen
Entwicklung neuer Medikamente
Erforschung von
Krankheitsaspekten
in Kultur
Altes Gesicht - Junge DNA ?
Leider nur ein Traum: denn unsere Erbsubstanz altert
Körperzelle
iPS-Zelle
Daher hätten die iPS-Zellen ‘alte’ DNA
Unsere Erbsubstanz kann nicht verjüngt werden
Mutationsrate:
tatsächlicher Anstieg
Mutationsrate:
linearer Anstieg
Tatsächlicher Anstieg
der Krebserkrankungen
Alter
Ende der Garantie
Aus: Somatic cell mutations: Can they provide a link between aging and cancer? M.S. Turker.
Mech. Ageing Dev.,117, 1-19 (2000)
Stammzellen des Nabelschnurbluts
Nabelschnur
Klemme
Oktober 2009
Die DNA von Stammzellen
des Nabelschnurbluts ist sehr ‘jung’
Mögliche Quelle für iPS Zellen: Nabelschnur Blut
Reprogramming without viruses
iPS
HLA-Class I, II
stem cells in cord blood
cord blood
stem cell bank
Immune-compatible
iPS bank
Mögliche Anwendungen für iPS-Zellen
Dies ist möglich
mit iPS-Zellen, eher
nicht mit ES-Zellen
iPS-Zellen
Entwicklung neuer Medikamente
mit Krankheitsmodellen
Erforschung von
Krankheitsaspekten
in Kultur
Modellierung von Krankheiten
Biopsie
Induktion
Hautzellen
Kultur
Alleskönner
Krankheitsentstehung in Kultur untersuchen
Medikamente an „kranken“ Zellen testen
Ausgereifte Körperzellen
Mögliche Einsatzbereiche der iPS-Zellen
Erforschung von
Krankheitsaspekten
in Kultur
Patienten-spezifische
pluripotente Stammzellen für
Transplantation
Ein Beispiel einer Krankheit, die wir in der
Kulturschale untersuchen: Parkinson
iPS-Zellen
Entwicklung neuer
Medikamente
Parkinson
Die Leitsymptome (auch Kardinal-­‐ oder Kernsymptome genannt) sind
Rigor (Muskelstarre),
Bradykinese (verlangsamte Bewegungen), welche bis hin zu Akinese (Bewegungslosigkeit) führen kann,
Tremor (Muskelzittern) sowie
posturale Instabilität (Haltungsinstabilität).
Parkinson iPS Zellen
Parkinson iPS Zellen
Gesundes Gen
“Krankes” Gen
Gesundes Gen
Gen Reparatur
Gesundes Gen
C2
0.015
repar.
“Kranke”
Gesunde
Zellen
Zellen
L2.2GC
L2.2Mut
C1.1
L1.1GC2
L1.1Mut
L2.3GC
L2.3
0.005
0.010
Height
0.020
0.025
0.030
Nur isogene Linien stellen richtige Kontrollen dar
“Kranke” repar.
Zellen Gesunde
Zellen
Daher würden uns hier humane ES Zellen gar nicht nützen
Humane ES Zellen sind aber wichtig, um Protokolle zu
entwickeln. z.B.: Wie kann man Nervenzellen in der Kulturschale erhalten?
Parkinson iPS Zellen umgewandelt
in Nervenzellen
“Kranke” Zellen
Gesunde Zellen
Peter Reinhardt
Eine Reihe von Krankheiten, die wir in der
Kulturschale untersuchen und wo wir
bereits versuchen Vorläufer Medikamente
zu entwickeln
Eine gemeinsame Pathologie: Chronische Aktivierung von Microglia Zellen
Mögliche Anwendungen für iPS-Zellen
Dies ist möglich
mit iPS-Zellen, eher
nicht mit ES-Zellen
Erforschung von
Krankheitsaspekten
in Kultur
iPS-Zellen
Entwicklung neuer Medikamente
mit Krankheitsmodellen
Susanne Höing
Jared Sterneckert
Eine gemeinsame Pathologie:
Chronische Aktivierung von Microglia Zellen
Alzheimer [email protected]
[email protected]
ALS
HIV [email protected]
Amyotrophe Lateralsklerose - ALS
Lou-Gehrig-Syndrom
Abschiedszeremonie im Yankees-Stadium
Juli 4, 1939
Hier wusste er
schon, dass er
krank ist.
Lou Gehrig
(1903-1941)
“... today I consider myself
the luckiest man on the
face of this earth.”
Amyotrophe Lateralsklerose - ALS
Nervenzelle
Irreversible Schädigung der
Bewegungs-Nervenzellen
Normal
Muskel
zunehmende Lähmung,
Muskelschwund, und Spastik
betroffene
Nervenzelle
Gang-, Sprech- und
geschwächter
ALS
Schluckstörungen
Muskel
Mittleres Erkrankungsalter 56-58 Jahre, Überlebenszeit 3-5 Jahre
Sogenannte “Seltene Erkrankung” (1-3 Neuerkrankungen auf 100.000/Jahr)
Unheilbar
ALS besser verstehen
Motoneurone
Steuern die Muskeln
Astrozyten
Unterstützen die Nervenzellen
Mikroglia
Immun-­‐Abwehrzellen des Gehirns
Die Bestandteile
ALS besser verstehen Die in vitro Test-­‐Situa3on
Motoneurone
Astrozyten
Steuern die Muskeln
Unterstützen die Nervenzellen
Petrischale
ALS besser verstehen Die in vitro Test-­‐Situa3on
Motoneurone
Astrozyten
Steuern die Muskeln
Unterstützen die Nervenzellen
Mikroglia
Immun-­‐Abwehrzellen des Gehirns
Chronisch ak3vierte Mikroglia greifen die Motoneurone an
Petrischale
ALS besser verstehen Die in vitro Test-­‐Situa3on
Motoneurone
Astrozyten
Steuern die Muskeln
Unterstützen die Nervenzellen
Mikroglia
Immunabwehr im Gehirn
Chronisch ak3vierte Mikroglia greifen die Motoneurone an
Petrischale
ALS besser verstehen Die in vitro Test-­‐Situa3on
Vor der Ak4vierung
‘normal’
Nach der Ak4vierung
‘krank’
ALS besser verstehen Die in vitro Test-­‐Situa3on
Motoneurone
Astrozyten
Mikroglia
Small molecules
Steuern die Muskeln
Unterstützen die Nervenzellen
Immunabwehr im Gehirn
Kleine [email protected] Substanzen
Suche nach ‘small molecules’, die Degenera3on verhindern
Petrischale
Validierung
Anfrage von F. Hoffmann-­‐La Roche Ltd.
Pharma Partnering
4070 Basel, Switzerland
Quelle: transkript 11/2012
9
„Volkskrankheiten“
Neurologische Erkrankungen
(z.B. Parkinson-Krankheit)
Gehirn
Herz-Kreislauf-Erkrankungen
(z.B. Herzinfarkt)
Herz-Kreislauf
Diabetes Typ I
(Zuckerkrankheit)
„Seltene Krankheiten“
Engl.: orphan disease
zum Beispiel:
Hereditäres Angioödem (HAE)
kongenitales QT-Syndrom
Osteogenesis imperfecta (Glasknochen)
Metachromatische Leukodystrophie (MLD)
Mukoviszidose
Neuronale Ceroid Lipofuszinose (NCL)
Morbus Wilson
Bauchspeicheldrüse
Lebererkrankungen
Leber
‘gesunde’ iPS Zelllinien:
Herzmuskelzellen
Leberzellen
In vitro
Toxikologietests
Etablierte iPS-Krankheitszelllinien:
zum Beispiel:
Muskeldystrophie Typ Duchenne
Down Syndrom
Parkinson-Krankheit
Diabetes Typ I
Swachman-Bodian-Diamond Syndrom
Chorea Huntington
Amyotrophe Lateralsklerose
CARE
Center for Advanced Regenera;ve Engineering
...eine technologische Lei;dee setzt Impulse.
58
WN 3.11.2012
MPI
Google Earth
CARE (in Planung)
Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin
Münster
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