Amerikanische Biologen schufen chimäre Menschen- und Schweineembryonen, um menschliche Muskeln wachsen zu lassen. Dazu brauchten sie ein CRISPR/Cas9-Geneditiersystem: Aus Schweinen wurden Gene entfernt, die für den Muskelaufbau verantwortlich sind, und ein Gen, das mit der Apoptose in menschlichen Zellen in Verbindung gebracht wird. Forscher haben chimäre Embryonen bis zu 27 Tage lang gezüchtet und sichergestellt, dass sich darin Muskelgewebe aus menschlichen Zellen und Nervengewebe und Genitalien - aus Schweinezellen - entwickelt. Die Arbeit wurde in der Zeitschrift Nature Biomedical Engineering veröffentlicht.
Biologen haben immer wieder vorgeschlagen, das Problem des Mangels an Spenderorganen mit Hilfe von Tieren zu lösen. Hier kann es mehrere Lösungen geben. Sie können das eigene Organ des Tieres transplantieren – aber das menschliche Immunsystem ist damit nicht immer einverstanden.
Sie können ein Tier genetisch verändern, um seine Zellen menschlicher zu machen. Wir haben bereits über die Geburt humanisierter Schweine und die erste Hauttransplantation von einem solchen Schwein auf einen Menschen geschrieben. Es ist jedoch noch nicht klar, wie sicher humanisierte Organe sind – sie können beispielsweise eingebettete Viren tragen, die für den Menschen potenziell infektiös sind.
Schließlich kann das Tier als Brutkasten verwendet werden, in dem menschliche Organe wachsen. Dazu muss ein chimärer Embryo geschaffen werden, in dem die meisten Zellen dem Tier selbst gehören (z. B. einem Schwein), aber einige sind menschlich und können das erforderliche Organ bilden.
Dieses Ergebnis lässt sich mit der Blastozysten-Komplementationsmethode erzielen: In den frühen Entwicklungsstadien des Schweins werden dem Embryo mehrere menschliche Zellen injiziert. Wenn Sie außerdem ein modifiziertes Schwein nehmen, bei dem das für die Entwicklung eines Organs verantwortliche Gen ausgeschaltet ist, muss dieses Organ allein aus menschlichen Zellen gezüchtet werden.
So funktioniert die Blastozysten-Komplementierungsmethode
Diese Technik wurde bereits mehrfach an Mäusen getestet, aber Experimente mit menschlichen Chimären beschränkten sich bisher auf die Erzeugung chimärer Embryonen im Frühstadium. Um von ihnen zum gerichteten Organwachstum zu gelangen, müssen drei Probleme gelöst werden: 1) Gene, die für die Organentwicklung verantwortlich sind, in einem Tierinkubator finden und deaktivieren 2) menschlichen Zellen beibringen, in einer Chimäre Wurzeln zu schlagen 3) sicherzustellen, dass menschliche Zellen dies nicht tun in die Genitalien oder das Gehirn des Tieres eindringen - denn in diesem Fall erhalten die Experimente möglicherweise keine Zustimmung von Ethikkommissionen und Aufsichtsbehörden.
Eine Gruppe von Forschern der University of Minnesota unter der Leitung von Daniel und Mary Garry versuchte, diese Probleme bei Schweinen zu lösen. Als Zielorgan wählten sie die Skelettmuskulatur, da dieses Gewebe von einem Spender nur sehr schwer zu bekommen ist (Muskeln werden nach dem Tod nicht transplantiert und sind im Leben nicht leicht zu entfernen). Mit dem CRISPR/Cas9-System erzeugten die Forscher modifizierte Schweineembryonen, denen drei Schlüsselgene für die Muskelentwicklung fehlen – MYF5, MYF6 und MYOD. Solche Embryonen entwickelten sich mindestens bis zum 28. Tag, ihre Gliedmaßen waren jedoch stark deformiert.
Anschließend testeten die Autoren der Arbeit, ob es möglich ist, die modifizierten Schweine durch Komplementierung der Blastozyste zu "retten". Dazu wurde am vierten Tag der Entwicklung jedem solchen Embryo am vierten Tag der Entwicklung eine Zelle eines gewöhnlichen Schweins mit einem inserierten grün fluoreszierenden Protein-Gen zugesetzt. Dann wurden diese chimären Embryonen in die Gebärmutter von Schweinen eingepflanzt und chimäre Tiere wurden geboren. Ihre Muskeln waren vollständig Spender (fluoreszierendes Grün), aber die Chimärenferkel bewegten sich und verhielten sich wie normale Tiere.
Eine Chimäre aus zwei Arten von Schweinen (oben) und einem gewöhnlichen Schwein (unten). Äußerlich sehen Tiere und ihre Muskeln gleich aus.
Danach gingen die Forscher dazu über, menschliche Chimären zu erschaffen. Sie vermuteten jedoch, dass eine einzelne menschliche Zelle möglicherweise nicht ausreicht, um im Schweinekörper Muskeln zu bilden. Daher beschlossen sie, ein Gen aus menschlichen Zellen zu entfernen, das sie daran hindern könnte, im Embryo eines Schweins Wurzeln zu schlagen. Dazu verglichen sie die Genexpression in frühen Schweine- und menschlichen Embryonen und fanden 257 Unterschiede in der Arbeit von Genen, die mit Teilung und Apoptose assoziiert sind. Aus diesen wählten die Forscher das TP53-Gen aus, das für das p53-Protein kodiert – den Haupt-„Motor“der Apoptose – und entfernten es mit CRISPR/Cas9 und versorgten die Zellen zusätzlich mit einem grün fluoreszierenden Protein.
Schließlich führten die Autoren der Arbeit modifizierte menschliche embryonale Zellen in die Embryonen von modifizierten Schweinen ein. Solche Zellen haben tatsächlich Wurzeln geschlagen und sich besser geteilt als gewöhnliche Zellen (p < 0,0001). Chimäre Embryonen wurden in den Uterus von Schweinen eingepflanzt und bis zu 20 oder 27 Tagen der Entwicklung aufgezogen. Äußerlich sahen sie völlig normal aus.
Danach maßen die Forscher den Gehalt an menschlichen Zellen in den Embryonen: Er reichte von einer von tausend bis zu einer von hunderttausend Schweinezellen. Gleichzeitig leuchteten 99,2 Prozent der Muskelzellen (gemessen an der Expression des MYOD-Markers), die in den Embryonen gefunden wurden, grün, das heißt, die Muskeln in der Chimäre entpuppten sich als vollständig menschlich.
Menschliche Zellen als zukünftige Muskeln in einem Schweineembryo: Sie leuchten grün und exprimieren Muskelmarker
Außerdem interessierte die Forscher, ob menschliche Zellen in andere Organe von Schweinen integriert wurden. Sie fanden jedoch weder im Herzmuskel noch im Nervengewebe Spuren menschlicher Zellen (ähnliche Ergebnisse erhielten sie für Chimären von zwei Schweinearten).
Das Nervengewebe im Embryo eines Schweins (rot) enthält keine menschlichen Zellen (violett).
So gelang es den Autoren der Arbeit, ein humanisiertes Gewebe im Inneren eines chimären Embryos zu erhalten. Um dieses Verfahren in die Praxis umzusetzen, sind jedoch zusätzliche Anstrengungen erforderlich. Erstens erlauben ethische Beschränkungen von Experimenten in vielen Ländern die Züchtung von Embryonen mit menschlichem Nervengewebe nicht länger als 14 Tage (mehr dazu in unserem Text "14 Tage später"). Und obwohl in diesem speziellen Experiment keine menschlichen Zellen im Gehirn sich entwickelnder Embryonen gefunden wurden, müssen die Forscher dies immer wieder bestätigen - und gleichzeitig herausfinden, warum dies geschieht und wie man es vorhersagen kann.
Zweitens wird kaum jemand die Transplantation von Zellen in Menschen ohne das TP53-Gen zulassen, einem der Hauptverteidiger gegen die Tumortransformation. In diesem speziellen Experiment diente das Löschen dieses Gens nur als Beweis dafür, dass genetische Modifikationen Zellen helfen könnten, in einem chimären Embryo zu überleben. Für die praktische Anwendung kann es jedoch erforderlich sein, einige andere Kandidaten für die Löschung zu finden.
Im Jahr 2019 haben wir darüber gesprochen, dass in Japan die Herstellung chimärer Embryonen aus menschlichen und Nagetierzellen genehmigt wurde und in China bereits chimäre Embryonen von Menschen und Affen erzeugt (und dann zerstört) wurden. Und im Herbst 2020 haben wir unsere Leser gefragt, ob sie bereit sind für das Auftreten von Menschen- und Schweinechimären – an dieser Umfrage können Sie im Artikel Pig Heart teilnehmen und die Ergebnisse mit der Position der Japaner und Amerikaner vergleichen.
