Verbund

StemNet

Die Leber ist das zentrale Stoffwechselorgan in unserem Körper. Sie ist für den Abbau von Arzneimitteln und Giftstoffen verantwortlich und daher von besonderer Bedeutung bei der Entwicklung neuer Medikamente. Beim Abbau von Arzneistoffen durch die Leber können Zwischenprodukte entstehen, die für den Körper schädlich sind. Um die Sicherheit und Wirksamkeit von neuen Medikamenten möglichst früh bestimmen zu können, benötigt die Forschung Testsysteme, die den Stoffwechsel im Patienten möglichst gut widerspiegeln. Vorhandene menschliche Testsysteme sind zurzeit nur sehr begrenzt verfügbar, da sie auf Gewebematerial angewiesen sind.

An diesem Engpass setzt der Verbund „StemNet“ an, der in der BMBF Fördermaßnahme „Innovative Stammzelltechnologien für die Individualisierte Medizin“ gefördert wird. Ziel dieser Maßnahme ist es, neueste Stammzelltechnologien für die medizinische Nutzung, z.B. in Therapie und Wirkstoffentwicklung zu erschließen und bestehende Hürden auf diesem Weg zu überwinden.

Das interdisziplinäre Verbundprojekt „StemNet“ nutzt in diesem Rahmen neue Reprogrammierungstechnologien, um Körperzellen in induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen) zu verwandeln. Diese können in Zellkultur unbegrenzt vermehrt werden. Aus diesen iPS-Zellen sollen dann im großen Maßstab im Labor menschliche Leberzellen gezüchtet werden. Derzeit verfügbare Protokolle erlauben allerdings nur die Schaffung noch unzureichend entwickelter, Leberzell-ähnlicher Zellen. Damit es gelingt, echte Leberzellen im Labor zu züchten, will der Verbund das Gennetzwerk entschlüsseln, das für die Differenzierung von Stammzellen in Leberzellen verantwortlich ist. Auf der Basis von Genanalysen und mittels mathematischer Modelle soll eine Blaupause für die Stammzelldifferenzierung von Leberzellen erstellt werden. Mit diesem Wissen sollen dann die Labormethoden optimiert werden, um menschliche in vitro Leber-Testsysteme zu schaffen. Diese Modelle sind für die biomedizinische Forschung und die Pharmaentwicklung von großem Interesse und können zu der dringend benötigten Effektivitätssteigerung in der Medikamentenentwicklung beitragen.

Teilprojekte

Koordination und Teilprojekt 1

Förderkennzeichen: 01EK1604A
Gesamte Fördersumme: 281.119 EUR
Förderzeitraum: 2017 - 2020
Projektleitung: Prof. Dr. Jan Georg Hengstler
Adresse: Forschungsgesellschaft für Arbeitsphysiologie und Arbeitsschutz e.V.
Ardeystr. 67
44139 Dortmund

Koordination und Teilprojekt 1

Primäre menschliche Hepatozyten stellen ein gut etabliertes Werkzeug in Pharmakologie und Toxikologie dar. Eine Limitierung besteht jedoch in der Verfügbarkeit, da primäre Hepatozyten aus chirurgisch entferntem Lebergewebe gewonnen werden müssen. Eine attraktive Alternative besteht daher darin, iPS-Zellen in Hepatozyten-ähnliche Zellen zu reprogrammieren. Dies bietet die Möglichkeit, eine unbegrenzte Menge an menschlichen Hepatozyten zu generieren und außerdem mit diesen Zellen in vitro Systeme menschlicher Krankheiten zu etablieren. Allerdings ermöglichen die zur Zeit verfügbaren Differenzierungsprotokolle für iPS-Zellen noch nicht die Generierung voll differenzierter Hepatozyten. Diese Einschränkung erklärt, warum zum Beispiel pharmazeutische Unternehmen heute noch primäre Hepatozyten Stammzell-abgeleiteten Hepatozyten-ähnliche Zellen (HLC) vorziehen. Daher zielt das aktuelle Projekt darauf ab, die zur Zeit verfügbaren Differenzierungsprotokolle für iPS-Zell abgeleitete HLC zu verbessern. Hierzu wird eine kürzlich von den Antragstellern etablierte Technik der Modellierung genetischer Netzwerke eingesetzt werden (Godoy et al., 2015). In dieser Studie haben wir die transkriptionellen Kontrollfaktoren identifiziert, welche dafür verantwortlich sind, daß auch die besten zur Zeit verfügbaren HLC noch deutlich von primären humanen Hepatozyten abweichen. Diese aus genomweiten Analysen abgeleiteten Daten werden uns als Blaupause dienen, um mittels gezielter Interventionen den Differenzierungszustand der HLCs zu verbessern.

Teilprojekt 3

Förderkennzeichen: 01EK1604B
Gesamte Fördersumme: 263.026 EUR
Förderzeitraum: 2017 - 2020
Projektleitung: Prof. Dr. Nils Blüthgen
Adresse: Charité - Universitätsmedizin Berlin, Institut für Pathologie
Charitéplatz 1
10117 Berlin

Teilprojekt 3

Das Gesamtziel von Teilprojekt 3 (TP 3) besteht darin, durch die Beeinflussung transkriptioneller Netzwerke die Differenzierung von menschlichen induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs) zu Hepatozyten zu verbessern. Hierzu werden mit Systemanalyse der Einzelzelldaten der hiPSC Differenzierung in Hepatozyten-ähnliche Zell-Subpopulationen (HLCs) vollständig und unvollständig differenzierte Zellen identifiziert.

Teilprojekt 4

Förderkennzeichen: 01EK1604C
Gesamte Fördersumme: 162.047 EUR
Förderzeitraum: 2017 - 2019
Projektleitung: Prof. Dr. Jörg Rahnenführer
Adresse: Technische Universität Dortmund - Fakultät Statistik, Fachgebiet Statistische Methoden in der Genetik und Chemometrie
Vogelpothsweg 87
44227 Dortmund

Teilprojekt 4

Primäre menschliche Hepatozyten stellen ein gut etabliertes Werkzeug in Pharmakologie und Toxikologie dar. Eine Limitierung besteht jedoch in der Verfügbarkeit, da primäre Hepatozyten aus chirurgisch entferntem Lebergewebe gewonnen werden müssen. Eine attraktive Alternative besteht daher darin, induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen) in Hepatozyten-ähnliche Zellen zu reprogrammieren. Dies bietet die Möglichkeit, eine unbegrenzte Menge an menschlichen Hepatozyten zu generieren. Diese Zellen können sehr gut genutzt werden, um in vitro-Systeme menschlicher Krankheiten zu etablieren. Allerdings ermöglichen die zur Zeit verfügbaren Differenzierungsprotokolle für iPS-Zellen noch nicht die Generierung voll differenzierter Hepatozyten. Diese Einschränkung erklärt, warum zum Beispiel pharmazeutische Unternehmen heute noch primäre Hepatozyten Stammzell-abgeleiteten HLC vorziehen. Daher zielt dieses Projekt darauf ab, die zur Zeit verfügbaren Differenzierungsprotokolle für iPS-Zell abgeleitete Hepatozyten-ähnliche Zellen (HLC) zu verbessern. Hierzu wird eine kürzlich etablierte Technik der Modellierung genetischer Netzwerke eingesetzt werden (Godoy et al., 2015). In dieser Studie wurden die transkriptionellen Kontrollfaktoren identifiziert, welche dafür verantwortlich sind, dass auch die besten zur Zeit verfügbaren HLC noch deutlich von primären humanen Hepatozyten abweichen. Diese aus genomweiten Analysen abgeleiteten Daten werden als Blaupause dienen, um mittels gezielter Interventionen den Differenzierungszustand der HLCs zu verbessern.

Teilprojekt 2

Förderkennzeichen: 01EK1604D
Gesamte Fördersumme: 304.066 EUR
Förderzeitraum: 2017 - 2020
Projektleitung: Prof. Dr. Jörn Walter
Adresse: Universität des Saarlandes, Professur für Genetik/Epigenetik
Campus, Geb. A2 4
66123 Saarbrücken

Teilprojekt 2

Epigenetische Daten eignen sich hervorragend, um Prozesse der Programmierung von Stammzellen in differenzierte Zellen molekular zu verfolgen. In Teilprojekt 2 werden genomweite Expression- und Epigenom-Profile von humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSCs), von hieraus generierten Hepatozyten ähnlichen Zellen (HLCs) und primären Hepatocyten produziert. Es sollen epigenetische Veränderungen in Verbindung mit regulatorischen Veränderungen im Verlauf der (unvollständigen) Differenzierung erfasst und bioinformatisch ausgewertet werden. Neben genomweiten Transkriptomen in hiPSCs, HLCs und primären menschlichen Hepatocytes werden ausgesuchte epigenetische Modifikationen der gleichen Zellen mit Hilfe der Methoden ChIP-Seq und ATACseq generiert. Für die Analysen werden zudem Daten (primärer Hepatozyten) und Werkzeuge des Deutschen Epigenomprojektes DEEP genutzt. Ziel der Analysen ist es, molekulare Signaturen zu identifizieren, die zu einer verbesserten Reprogrammierung und Differenzierungseffizienz von iPSCs in HLCs führen.