Stammzellen - Basel Stem Cell Network
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The Basel Stem Cell Network (BSCN) Stammzellen: Heute – Morgen Samstag 28. November 2009; 09.00 – 13.00 Uhr Kollegiengebäude der Universität Basel, Petersplatz 1, Aula Das “Basel Stem Cell Network” stellt sich vor Yves-Alain Barde Professor für Neurobiologie Biozentrum der Universität Basel http://www.baselstemcells.ch/ 28 Gruppen: • Universität: Universitätsspital, Dept. Biomedicine, Biozentrum, Phil II Fakultät: Ethik, Departement Rechtswissenschaften • D-BSSE (ETH Zürich in Basel) • Friedrich Miescher Institut • Pharmaindustrie Warum ein Kompetenzzentrum Stammzellen? • Ein zukunftsweisendes Thema der modernen Biologie • Von der Grundlagenforschung bis zur klinischen Anwendung • Vernetzung Probleme • Komplexe Materie, die gesetzliche Rahmenbedingungen erfordert • Akzeptanz der Arbeiten mit embryonalen Stammzellen, Gegenüberstellung mit Adulten Stammzellen • Versprechungen Aussichten und Programm • Anwendungen: Blut und Immunsystem • Plastische Chirurgie, Prothesen • Weitere Anwendungen: Haut, Bauchspeicheldrüse, Muskulatur • Neue Zellkultur- und Testsysteme Ziele • Ersatz ausfallender Organfunktion • Nicht Jungbrunnen oder Frischzelltherapie! Was sind und was können Stammzellen? Aleksandra Wodnar-Filipowicz Professor für Experimentelle Hämatologie Departement Biomedizin, Unispital Basel Was sind Stammzellen ? • Ein Wunder der Natur ! • Ein faszinierendes Forschungsobjekt ! Was können Stammzellen ? Stammzellen sind zuständig für: • die Aufrechterhaltung von Gewebe (Homöostase im Körper) • die Reparatur von Gewebe ! Stammzellen sind für den Organismus unentbehrlich Geschichte 1908: Vorhandensein von “Stammzellen” wird durch Alexander Maksimov am Kongress der Gesellschaft für Hämatologie in Berlin postuliert 1960-er Jahre: Altman and Das (Purdue University, USA) entdecken, dass im adulten Gehirn neues Gewebe aus Stammzellen gebildet wird 1963: McCulloch and Till (Toronto University, Kanada) zeigen das therapeutische Potenzial von Knochenmarks-Stammzellen auf: Transplantation der Knochenmarkszellen Langfristiger Wiederaufbau des Knochenmarks Embryonale und adulte Stammzellen Totipotente Stammzelle Zygote Pluripotente Stammzellen Embryonale Stammzellen Multipotente Stammzellen Adulte Gewebe-Stammzellen Neurale Muskel Leber Mesenchymale Hämopoietische Wo gibt es adulte Gewebe-Stammzellen ? Gehirn Knochenmark/ Blut Netzhaut/ Hornhaut Leber/ Darm Haut/ Haare Herzmuskel ! Stammzellen in Organen, die sich schneller erneuern, sind mehr “gefordert” Pflanzliche Stammzellen Meristem (Bildungsgewebe) in: • Wurzeln • Spross-Spitze • Knospen Wunder der Natur Hautzellen Blutzellen Knochenmark Peripheres Blut ca. 104 1011 (täglich) Stammzellen Reife Zellen Epidermis erneuert sich alle 4 Wochen Täglich müssen 1 Billion (1012) neuer Zellen auf präzise Weise nachgeliefert werden Eigenschaften von Stammzellen Selbsterneuerung ! Stammzellen: • Selbsterneuerung • Differenzierung • Vermehrung Stammzellforschung Die Stammzellforschung gehört zu den wichtigsten Gebieten der biologischen und medizinischen Forschung Stammzellen - aus klinischer Perspektive Kann man Gewebe-Stammzellen im Reagenzglas vermehren? Im Prinzip nicht! • In vivo: Stammzellen können transplantiert werden ! Gewebe-Regeneration • In vitro: Stammzellen können differenziert werden ! Gewebe-Reparatur Die andere Seite der Medaille: Tumor Stammzellen • Das Vorhandensein von Stammzellen in Tumor-Gewebe ist seit 10 Jahren bekannt • Identifiziert bei folgenden Tumoren: – – – – – – – Blutkrebs Gehirn-Tumoren Brustkrebs Darmkrebs Eierstockkrebs Bauchspeicheldrüsenkrebs Prostatakrebs Tumorzellen können Eigenschaften zur Selbsterneuerung erwerben Gesunde Stammzelle Tumor Stammzelle Differenzierung ist blockiert Gesundes Gewebe Tumor Tumor-Stammzellen: Therapeutische Relevanz Chemotherapie Rezidiv-Gefahr Herausforderung: Gezielte Therapie gegen TumorStammzellen Remission Stammzellen: • sind “Dornröschen” in unserem Körper • sind Hoffnungsträger, die krankes Gewebe mit Gesundem ersetzen können • sind die Basis der “Regenerativen Medizin” Neues Blut aus Stammzellen: ein Blick in den Alltag Alois Gratwohl Professor für Hämatologie u. Stammzelltransplantation Unispital Basel Blut: ein besonderer Saft • Blutflüssigkeit – Wasser, Nährsalze – Eiweisse – Botenstoffe • Blutkörperchen – Erythrozyten • Sauerstofftransport – Leukozyten • Infektabwehr – Thrombozyten • Blutstillung Entstehung der Blutkörperchen • Blutstammzelle – Selbsterneuerung – Weiterausreifung • Vorläuferzellen – Spezialisierung • • • • Erythrozyt Lymphozyt Granulozyt/Makrophag Thrombozyt • Funktionsaufnahme • 250 x 109/l Ez / Tag • 100 x 109/l Tz / Tag • 25 x 109/l Ez / Tag Richtige Menge, zur richtigen Zeit, in richtiger Qualität Idee der Knochenmarktransplantation • Ersatz durch gesundes Knochenmarkes • Prinzip bestätigt • Problem – Doppelte Barriere – Abstossung – Graft-versus-host Krankheit E.D. Thomas Begriffe der Blut-Stammzelltransplantation • Spendertyp – Autolog, syngen, allogen – HLA- identisches Geschwister, Familie, Fremdspender • Stammzellquelle – Knochenmark – Knochenmarktransplantation – Peripheres Blut – Periphere Blutstammzelltransplantation – Nabelschnurblut –Nabelschnurbluttransplantation • Transplantationsart – intravenös EBMT Activity survey on HSCT 1973 - 2008 Allogeneic HSCT, autologous HSCT, Teams 18000 800 16000 Allo Auto 14000 600 12000 H 10000 S C 8000 T Teams 400 6000 200 4000 2000 0 0 73 78 83 88 93 98 03 05 06 07 08 2008: final data The European Group for Blood and Marrow Transplantation EBMT Activity survey on HSCT in 2008: main indications Indication Allogeneic 1st Tx. Autologous 1st Tx. Total Leukaemias* 7596 978 8574 Lymphoproliferative 1688 13368 15056 615 2 617 62 1416 1478 699 170 869 75 26 101 10735 15960 26695 disorders Bone marrow failures Solid tumours Non-malignant disorders Others Total * includes CLL 2008: final data EBMT Activity survey on HSCT in 2008: non malignant disorders Indication Allogeneic 1st Tx. Autologous 1st Tx. Total BM aplasia – SAA 444 2 446 BM aplasia – Other 171 0 171 Hemoglob. – Thalassemia 241 0 241 61 0 61 Immune deficiencies 272 1 273 Inherited dis. Metabolism 116 6 122 9 163 172 Hemoglob. – Other Auto immune 2008: final data EBMT Activity Survey on HSCT 1990-2008 donor origin 100% Family 90% 80% Unrelated 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 06 07 08 2008: final data HSCT - rates in Europe 2008 Total transplants (all) per 10 million 2008 0 or no report 1 - 50 51 - 200 201 - 400 > 400 Final data Algeria Iran Israel Lebanon Saudi Arabia South Africa Tunisia Jordan Global Activity Survey 2006: final data Main indications Region Leukemias Lymphoproliferative Allo Auto Total 15210 (89%) 1839 17049 3502 (13%) 23990 27492 153 (5%) 2772 2925 2396 (92%) 197 2593 21516 (43%) 28901 50417 disorders Solid tumors Non Malignant disorders Total Worldwide Network for Blood and Marrow Transplantation Resultate der Stammzelltransplantation • • Abhängig von Spendertyp Bester Spender • Eineiiger Zwilling • • • Keine Abstossung Keine Graft-versus-host Krankheit Trotzdem weniger Rückfall EBMT The European Group for Blood and Marrow Transplantation Ursachen des Versagens Toxicity Infections GvHD Relapse Toxizität Infektionen Immunologische Reaktionen Abstossung GvHD Rezidiv The European Group for Blood and Marrow Transplantation Neue Wege • Weniger Toxizität – Patienten eigen: keine Abstossung, keine GvHD – Gezielter Einsatz: Stammzellen oder Einzelprodukt • Keine Spenderproblematik – Rekrutierung, Lagerung (Nabelschnur) – Risiko • Kosten Studien der Hämatopoiese an re-programmierten menschlichen Zellen Ziel und Möglichkeit • Entwicklungsbiologie Unterschied Mensch – andere Spezies Auswirkung definierter genetischer Mutationen • Modell für Gentherapie Behandlung von Patienten mit Gendefekt • Pharmakotherapie Testung von Verträglichkeit und Wirkung • Transfusionsmedizin Patienten-spezifische Zellen Erythrozyten, Thrombozyten, NK-Zellen • Immuntherapie Patienten-spezifische Immunzellen • Stammzelltransplantation Stammzellen Patienten-spezifische Blut- Schlussfolgerung • Transplantation Blut bildender Stammzellen – „Proof of principle“ – Ersatz versagender Organfunktion durch Stammzellen • Vorläufig „adulte“ Stammzellen; gesunde Spender • Zukunftshoffnung embryonale Stammzellen – Mechanismen; gezielter Einsatz • Langer Weg Forschung!! Knorpel und Knochen aus eigenen Zellen: Biologische statt künstliche Prothesen Ivan Martin Professor für Tissue Engineering Departement Biomedizin und Chirurgische Forschung Unispital Basel Tissue Engineering (Gewebezüchtung) Definition Tissue Engineering ist die Anwendung von Prinzipien und Methoden der Ingenieurund Naturwissenschaften zur Entwicklung von Ersatzstoffen, um Gewebefunktionen wiederherzustellen, aufrechtzuerhalten oder zu verbessern. (Langer & Vacanti, 1993) Mesenchymale Stammzellen (MSC) Selbsterneuerung Knorpelzellen Knochenzellen Fettzellen Sehnenbildende Zellen Stromazellen Muskelzellen ….. Aus Knochenmark, Knorpeloberfläche, Fettgewebe Ideales Transplantat: intelligentes Material Gewebedefekt Stimulation lokal ansässiger Zellen Gerüste unterschiedlicher Zusammensetzung, Struktur und Funktionalität Hyaff®-11 Chondro-Gide® Kein ausreichendes Wissen, um Stammzellfunktionen im Körper kontrollieren zu können Polyactive® Typischer mittels Prozess des Tissue Engineering Knochenreparatur Mesenchymaler Stammzellen (MSC) Zellisolierung GewebeKnochen entnahme mark Kein überzeugender Erfolg Begrenzte Reproduzierbarkeit Manueller Prozess Arbeitsaufwändig TEUER! Gezüchtetes Transplantat Besiedelung/Kultur in 3D-Gerüsten Vermehrte Zellen Perfusion von Zellen durch ein Gerüst 1 mm Säen mit Perfusion Perfusions-Kultur 1 mm Konzept Statisches Säen Statische Kultur Können wir 3D-Perfusionskultursysteme vereinfachen ? Tissue-Culture Under Perfusion (T-CUP) Klinische Studie I Heilung von Knochendefekten im Oberarmknochen Verwendung von aus Fett isolierten, autologen Stammzellen nach einem Oberarmbruch bei Osteoporosepatienten (häufige Komplikationen) (Studie in Vorbereitung) Zellbasierte Knorpelreparatur Aus nasalen Knorpelzellen gezüchteter Knorpel Zellisolierung Knorpelentnahme Gezüchtetes Implantat 3D-Kultur Vermehrte Zellen Klinische Studie II Rekonstruktion des Nasenflügels nach Tumorentfernung Test der Stabilität und Sicherheit von gezüchtetem Knorpel Notwendigkeit einer GMP-Anlage (Studie eingereicht an die Swissmedic) Humane nasale Knorpelzellen Scherkräfte Kompression Tiermodelle Nasale Knorpelzellen scheinen für die Reparatur von Defekten des Gelenkknorpels geeignet zu sein Osteochondrale Konstrukte Verkleben Knorpelschicht Knochenschicht Klinische Studie III Heilung von osteochondralen Defekten im Fussgelenk Test von nasalen Knorpelzellen zur Rekonstruktion für Gelenkknorpel (Studie in Vorbereitung) Scale-up von gezüchteten Geweben Ø 6 mm Ø 50 mm Perspektive: in Richtung einer biologischen Prothese? 50 mm Vision für Regeneration von Geweben des Bewegungsapparates Wissen Stammzellbiologie Systembiologie Nanowissenschaft Biomedizinische Technik GMP Anlage Regenerative Signale Biologische Prothese Gezüchtete Implantate für Knorpel und Knochen Zeit Danksagungen EU Framework VI AUTOBONE EU Framework VI STEPS EU Framework VII DISC ESA Multicell models SNF-KTI: 3D Cell culture bioreactor SNF-Div 3: Osteochondral composites SNF-Div 3: Engin. bone vascularization SNF-SCOPES: Cartilage TE bioreactor Mesenchymale Stammzellen: Kontrolleure der Organfunktion Alan Tyndall Professor für Rheumatologie Felix Platter-Spital und Unispital Basel Inhalt der Vorlesung • Was ist eine mesenchymale Stammzelle? • Was tut sie nach der Geburt? • Wie können wir diese bei einer Krankheit benützen? Was ist eine Stammzelle? Nach Teilung, eine Tochterzelle bleibt als Stamm, die andere Tochterzelle geht zur Differenzierung. Pluripotent ESC Pluripotent stem cells Totipotent stem cells Somatic stem cell Germ stem cell Oct4 Sox2 Klf4 c-Myc Somatic Cell Endoderm Multipotent stem cell (adult, post natal) Liver Intestine Pancreas Ectoderm Mesoderm Skin Hair Nerves Blood Muscle Bone Cartilage iPC Primitive germ cell Gametes Gametes Somatic cell Die 3 grundsätzlichen Gewebetypen Mesenchymale Stammzellen für schwere Autoimmunkrankheiten Konzept • „Homing“ am entzündeten Gewebe und danach antientzündliche Effekte • Reparatur von geschädigtem Gewebe und Organen? Homing of MSC • Stromal derived factor-1 (SDF-1, CXCL12) in bone marrow and (maybe) ischemic tissue and CXCR4 on MSC. (Wynn, Blood 2004) • Enzymic modification (fucosylation) increases homing ( via E-selectin ) (Sackstein , Nat Med 2008) • MSC home to tumors via tumor secreted monocyte chemotactic protein -1 ( MCP-1). (Dwyer, Clin Cancer Res 2007) Immunomodulation: in-vivo models • Baboon skin graft - yes • Mouse MS model (EAE) – yes (Uccelli A et al, Blood 2005;106:1755-61) • Mouse MS model (EAE) – yes (Zhang J et al, Exp Neurol 2005;195:16-26)) • Mouse RA model CIA - ( Pennesi et al , Arthritis Rheum 2007) • Mouse acute GvHD model – yes • Murine diabetes - yes ( islet cell + MSC Tx) • Other e.g. SLE, colitis , CIA etc ( Bartholemew et al , Exp Hematol, 2002) yes (Dazzi F et al) (Urban et al, Stem Cells 2008) Tissue injury : in-vivo models • Rat kidney ischaemia/reperfusion renal failure model – protects pre and 12 hours (Togel F et al, Kidney Int 2005;67(5):1772-1784) • Mouse bleomycin lung fibrosis model – – – Home to affected lung Reduce inflammation and fibrosis Most effective immediately after injury 2003;100(14):8407-8411) • (Ortiz L et al, Proc Natl Acad Sci U S A Carbon tetrachloride hepatic fibrosis mouse – – Protect immediately, not one week later Some transdifferentiation to epthelium (Fang B et al, Transplantation 2004;78(1):83-88) Immunomodulation: clinical • Acute GvHD - stage IV (9-year-old boy, leukaemia) - arrested gut, skin and liver acute GvHD (Le Blanc K et al, Lancet 2004;363(9419):1439-1441) - 30/55 acute GvHD improved ( Le Blanc et al, Lancet 2008) • Crohns fistulae – 4 patients autologous adipose tissue derived MSC - 75% improved (Garcia-Olmo D, Dis Colon rectum 2005) • Multiple Sklerose – 10 cases . Intrathecal allogeneic bmMSC. Mixed results. (Moyeddin Bonab M et al , Iran J Immunol 2007) • Multiple Sklerose - Allogeneic adipose vascular stromal fraction (SVF) cells and autologous MSC, IVI and intrathecal in 3 relapsing remitting cases. - improved some clinical features , MRI unchanged (Riordan et al, J Transl Med 2009) – 1 case. - Allogeneic MSC. Improved (Liang J et al , Mult Scler 2009) • Renal SLE – 4 cases. Allogeneic bone marrow derived MSC - improved SLEDAI and proteinauria. 12-18 month follow-up (Sun et al, Stem Cells 2009) Zusammenfassung • Mesenchymale Stammzellen spielen eine wichtige Rolle bei Gewebe- und Organreparatur • In vitro-Versuche und Tiermodelle unterstützen das Konzept • Der Effekt ist durch lokal produzierte Faktoren • Beim Menschen bis jetzt keine akute Toxizität, aber noch keine langfristige Sicherheit bestätigt Stammzellen und Nervensystem Yves-Alain Barde Professor für Neurobiologie Biozentrum der Universität Basel Themen • Gibt es Stammzellen im Nervensystem? • Meist diskutierte Anwendungen • Experimente in der Kulturschale Auch im Nervensystem gibt es Stammzellen! Singvögel bilden immer wieder neue Nervenzellen Auch in Säugern werden neue Nervenzellen Neue Nervenzellen werden im Hippocampus gebildet und integriert Im adulten Gehirn sind Stammzellen in Nischen versteckt Meist diskutierte Anwendungen von Stammzellen im Nervensystem • Krankheit von Alzheimer • Krankheit von Parkinson • Rückenmarkverletzung Krankheit von Alzheimer: keine sinnvolle Indikation Rückenmark und Nerven läsion: Auch nicht realistisch Nacimiento W, Schmitt AB, Brook GA Der Nervenarzt (1999) 70: 702-713 Stammzellen 1. Embryonale Stammzellen sind „alles Könner“ („pluripotent“): aus ihnen können ALLE Zellen des Körpers entstehen. 2. Adulte Stammzellen gibt es in vielen Organen. Sie haben ein BEGRENZTES Differenzierungspotential In vitro Differenzierung von embryonalen Stammzellen in Neuronen In vitro Differenzierung von menschlichen embryonalen Stammzellen in Neuronen Alternative zur Gewinnung von embryonalen Stammzellen: Re-programmierung • Ethisch unproblematisch • Patient-spezifisch In vitro Re-programmierung • Somatische Zellen (z.B. Hautzellen) können re-programmiert werden • Re-programmierte Zellen haben die Kerneigenschaften von embryonalen Stammzellen • „Adulte“ Stammzellen wären nicht abgestossen Zusammenfassung • Stammzellen: ein neues, wichtiges Thema der Biologie und Medizin • Re-programmierung ermöglicht völlig neue Ansätze • Zelltherapie mit Stammzellen im Nervensystem ist noch ein Fernziel • Zellkultur: Krankheitsmodelle, Entwicklung von Arzneimitteln • Aktivierung von endogenen Stammzellen
