CC BY
18
Интервью с председателем Германского общества изучения стволовых клеток профессором Ю. Хешелером
Редакция журнала продолжает серию бесед с крупными специалистами в области клеточных технологий. На этот раз мы обратились к участнику редакционного совета нашего журнала председателю Германского общества изучения стволовых клеток профессору Юргену Хешелеру.
Господин Хешелер, как бы Вы оценили значение клеточных технологий для медицины XXI века?
- В качестве участника редакционного совета журнала «Клеточная трансплантология и тканевая инженерия» я хотел бы способствовать продвижению журнала в международное научное сообщество и таким образом усилить международные связи между Востоком и Западом в области регенеративной медицины и исследования стволовых клеток. Нет сомнений, что работы по исследованию стволовых клеток являются самым перспективным подходом в медицине нынешнего столетия и, вероятно, коренным образом изменят лечение многих заболеваний, таких как инфаркт миокарда, сердечная недостаточность, диабет, болезнь Паркинсона, травматические повреждения спинного мозга и другие.
С моей точки зрения, нашей общей целью является создание теоретической основы для разработки новых методов лечения. Являясь фундаментальным, ориентированным на применение результатов в клинической практике, исследование
стволовых клеток может помочь ответить на вопрос, что такое жизнь. С другой стороны, исследование стволовых клеток - это широкая область, которая требует применения большинства современных научных методов, включая генетику, клеточную биологию, физиологию, биохимию, гистологию и др. Оно также использует данные экспериментальной хирургии и технологий биоинженерии, в том числе компьютеризированные методы визуализации. Исследование стволовых клеток и регенеративная медицина обеспечивают идеальные возможности для налаживания контактов и объединения всех научных групп в мире, занимающихся разработкой новых методов лечения, используя данные теоретической науки. Моя рабочая группа всегда поддерживала идею взаимодействия между различными областями исследований, поэтому мы всегда были в авангарде этих исследований.
Расскажите подробнее о научных интересах Вашего коллектива.
- Я занимаюсь изучением эмбриональных стволовых клеток мышей с 1989 года. Начав с исследования клеточной сигнальной трансдукции, я и мои коллеги определили многие основные положения фундаментального характера и их возможного клинического применения. Мы первыми в мире провели электрофизиологические эксперименты со стволовыми клетками, что позволило нам стать лидерами в их использовании при трансплантационном лечении. Мы исследовали ряд производных эмбриональных стволовых клеток: кардиомиоцитов, скелетно-мышечных, эндотелиальных и кроветворных клеток, гепатоцитов, а также нервных и глиальных клеток. Используя разнообразные физиологические методы, мы смогли определенно показать, что их функциональные свойства точно соответствуют тем клеткам, которые можно получить из эмбриона мыши.
По традиции мы начинали с изучения клеточного сигна-линга и функциональных участков генома в стволовых клетках [эмбриональных и стволовых клетках взрослых) [функциональная геномика). Важность этой работы, как для исследования основ клеточной биологии, так и для возможного применения в медицине, привело к созданию различных специализированных научных групп под моим руководством в Институте Нейрофизиологии при Кельнском университете. В эти группы входят ученые с разными научными специализациями, всех их объединяет интерес к дифференцировке стволовых клеток. Основная специализация и научный интерес - это генетика, применение передовых технологий, модификация стволовых клеток, сигнальная трансдукция и внеклеточный матрикс, а также обеспечение моделями, оптимальными для трансплантации и анализ результатов. В нашем институте мы используем параллельно эмбриональные и стволовые клетки взрослых, изучаем их в сравнении. Это обеспечивает не только максимальную эффективность, но и международную конкурентоспособность. На моделях мышей мы смогли показать то, что кардиомиоци-ты, полученные из эмбриональных стволовых клеток, могут интегрироваться с тканью реципиента, таким образом восстанавливая повреждения, полученные, например, при инфаркте. В 2003 году я, как один из первых немецких ученых, занимающихся данной проблемой, получил разрешение от нашего правительства импортировать эмбриональные
Клеточная трансплантология и тканевая инженерия Том III, № 1, 2008
От редакции
стволовые клетки. С этого момента мы перенесли нашу технологию исследований дифференцировки эмбриональных стволовых клеток на эмбриональные стволовые клетки человека.
На каком этапе находяться сейчас исследования стволовых клеток - ближайшие цели и будущее клинического применения кардиомиоцитов и нейральных клеток, полученных из эмбриональных стволовых клеток?
- В течение последних нескольких лет мы были заняты подбором протоколов индукции направленной дифферен-цировки эмбриональных стволовых клеток для получения максимально чистых линий клеток нервной ткани или миокарда. Мы смогли показать, что эти клетки можно пересаживать ортотопически без риска развития опухолей. В случае кардиомиопластики было важно увидеть, что состояние сердца значительно улучшается после пересадки. Уровень выживаемости реципиентов также явно и значительно повысился. Эти эксперименты были проведены пока только на мышах, и мы надеемся осуществить их, используя эмбриональные стволовые клетки человека.
Одной из наших долгосрочных целей является лечение больных, и это возможно, с моей точки зрения, только с помощью эмбриональных стволовых клеток человека. Кроме того, для предотвращения иммунологических осложнений мы должны создать банк эмбриональных стволовых клеток, удовлетворяющий требованиям GMP, так, чтобы каждому пациенту могла быть проведена клеточная терапия с оптимальным HLA-типированием. Также банк стволовых клеток необходим для последующего клинического применения, так как клетки, имеющиеся в наличие в настоящее время, вероятно, заражены вирусами, поскольку их культивируют совместно с фидерными клетками мышей. Поэтому в Германии мы может заниматься разработкой основных теоретических вопросов, но не сможем принять участие в создании такого банка стволовых клеток и в клинических исследованиях в будущем.
Недавние успехи в кардиомиоцитарной дифференциров-ке эмбриональных и репрограммированных соматических клеток открывают новые перспективы в лечении сердечнососудистых заболеваний. Клеточная кардиомиопластика представляет собой возможный альтернативный путь лечения. Клеточная терапия представляет новое направление в лечении сердечной недостаточности. Исследования сосредоточены на этом подходе в связи с устойчивым уменьшением количества доноров сердца человека, возможным риском, связанным с неродственными и ксенотрансплантациями, быстрым усовершенствованием методов культивирования стволовых клеток. В настоящее время используются различные модели на животных для проверки эффективности клеточной кардиомиопластики. Модели на мышах обладают определенными преимуществами, в частности: 1) они дают возможность исследования большого количества животных; 2) сегодня доступны трансгенные и иммунологически устойчивые виды; 3) легкость применения стволовых клеток мышей. Однако, на сегодня результативность клеточной кардиомиопластики не подтверждена на мышах, вероятно, из-за небольшого размера животного и в результате высокой смертности во время операции, а также трудности интрамурального введения клеток и проблемы их обнаружения после трансплантации.
Репрограммирование. Совсем недавно появились сообщения о репрограммировании эмбриональных клеток мыши, а также соматических клеток человека, которые в результате приобрели сходство с эмбриональными стволовыми клетками. Когда-нибудь этот метод поможет ученым генерировать без яйцеклетки и эмбриона клеточные линии, индивидуально соответствующие пациенту. Вероятно в дальнейшем
для этого будут использоваться небольшие молекулы для пенетрации клеточных мембран и направления выработки необходимых транскрипционных факторов. Тем не менее, предстоит пройти долгий путь до того, как появятся методы лечения, использующие репрограммированные клетки взрослого человека. В данной обстановке исследования по репрограммированию, вероятно, могут подвергаться критике, поскольку доказывают необязательность повреждения ранних эмбрионов для получения стволовых клеток.
Как Вы полагаете, имеется ли терапевтический потенциал у стволовых клеток взрослых для применения в клеточной кардиомиопластике?
- Клеточная терапия рассматривается как важный путь лечения сердечной недостаточности. Продолжаются клинические исследования по изучению результатов введения аутогенных клеток костного мозга после перенесенного инфаркта миокарда. Хотя утверждают, что этот метод лечения безопасен для пациента, нами ранее было показано, что введение обогащенной фракции мезенхимальных стволовых клеток или цельных клеток костного мозга в пораженное при инфаркте сердце мышей несет высокий риск обширного образования костной ткани. Наши данные вызывают серьезную озабоченность, т.к. они подразумевают, что окружающая реципиентная ткань не контролирует мультипотентные клетки, полученные из костного мозга должным образом.
Расскажите о профессиональных научных сообществах клеточных технологов в Германии.
- В 2003 году ученые из университетов Кельна и Бонна основали Немецкое общество исследования стволовых клеток [German Society of Stem Cell Research), которое с тех пор значительно выросло, и его членами являются более 250 ученых из основных университетов и научно-исследовательских институтов всей Г ермании, а также Австрии, Швейцарии, Голландии и Бельгии. Создавая данное общество, мы, главным образом, намеревались создать новую базу для поддержания исследований стволовых клеток в Германии и немецкоговорящих странах и объединить всех ученых, заинтересованных в данной области исследований, а также материаловедении, биотехнологии, генетики, клеточной биологии, и, таким образом, создать научную базу для новых методов лечения и последующего клинического использования регенеративной медицины. Наиболее важно, что это должно быть независимое общество, управляемое на демократической основе. Таким образом будет осуществляться укрепление научного обмена между членами нашего общества и, особенно, поддержка молодых ученых. Также следует оказывать больше влияния на политиков для усовершенствования и продвижения исследований стволовых клеток и регенеративной медицины в немецкоговорящих странах, и укрепления их роли в международном масштабе. Будет обеспечено установление прочных связей с общественностью и компетентные обсуждения этических проблем регенеративной медицины. Мы намерены организовывать ежегодные встречи, на которых молодые ученые, занимающиеся исследованием стволовых клеток, смогут представить свои результаты. Важно, чтобы исследование стволовых клеток могло развиваться как признанная отрасль науки, т.е. чтобы все присущие ей взлеты и падения, достижения и неудачи, все положительные и отрицательные аспекты, а также не очень эффектные, но важные результаты были обнародованы и обсуждены. Важно, чтобы наши молодые коллеги получили возможность продемонстрировать свои данные и обсудить их с другими исследователями. Только это поможет продвижению молодого поколения исследователей. Вся информация, а также регистрационные анкеты можно
Клеточная трансплантология и тканевая инженерия Том III, № 1, 2008
■ И I II II
найти на сайте www.stammzellforschung.com или www.stammzellforschung.de. Исследователи стволовых клеток из России также могут вступить в это общество.
Каковы перспективы научного сотрудничества российских и немецких ученых в объединенной Европе?
- С моей точки зрения, должно быть предприняты совместные европейско-российские усилия для продвижения исследований стволовых клеток в клиническую практику и как можно скорее. Следовательно, должны быть созданы европейские нормативы, гарантирующие участие и права всех партнеров в европейских проектах по исследованию стволовых клеток на одинаковых условиях. Мы не должны допустить невыгодного положения для немецких ученых. Во-первых, они потеряют европейские источники финансирования и, во-вторых, их обгонят другие группы, которые уже начали работу в этой области. Равные права и условия должны быть гарантированы для всех ученых Европы, особенно при планировании экспериментального сотрудничества с россиянами!
Будущая клеточная терапия человека должна основываться на доступных, безопасных и надежных источниках высококачественных стволовых клеток человека, хранение которых должно быть гарантировано. Сегодня хранение клеток все еще основано на сохранении источников стволовых клеток, а не на хранении определенных, хорошо описанных популяций стволовых клеток [как взрослых, так и эмбриональных), тогда как создание условий для надежного выращивания все еще находится в зачаточном состоянии. Между лабораториями не существует общих стандартов по получению, идентификации и культивированию стволовых клеток, а воспроизводимость протоколов ограничена. Культивирование in vitro и выращивание кроветворных стволовых клеток, полученных из костного мозга взрослого человека или из пуповинной крови, далеко от идеального и требует дальнейших исследований для преодоления проблем, связанных с недостаточным количеством полученных стволовых. Кроме того, для многих типов стволовых клеток криоконсервация сама по себе еще не оптимизирована и не утверждена. Придерживаясь открытости исследований, европейские общества подготовят план обучения и обмена опытом и информацией, который будет информировать разных исследователей и широкую общественность о проведенных исследованиях и достигнутых результатах. В частности, программа обучения поможет объединить молодых ученых в сообщество и информировать исследователей о последних данных. Существующие контакты, особенно среди ученых, объединенных во взаимодействующие сообщества, будут поощрять международное научное сотрудничество. Широкая общественность сможет получить информацию на общедоступном веб-сайте, из брошюр и открытых семинаров, которые будут организованы по окончании проекта. В настоящее время я являюсь координатором двух европейских научных сообществ и таким образом знаю деятельность, проводимую большой группой специалистов. Это следует использовать в своих интересах и российским ученым.
Одним из этих обществ является «Функциональная геномика в инженерии эмбриональных стволовых клеток» [Functional Genomics in Engineered ES cells, FunGenES). В этом проекте участвуют 18 организаций, занимающихся производством и исследованием. Эти организации совместно изучают функциональную геномику эмбриональных стволовых клеток мыши. Основными целями проекта являются:
• подробно разработать фундаментальное понимание дифференцировки эмбриональных стволовых клеток и индукции их направленной дифференцировки с идентификацией потенциально новых генов-мишеней для терапевтического вмешательства;
• получить новые клеточные и молекулярные средства, которые позволят охарактеризовать функции генов в специфической клеточной популяции ткани [функциональная геномика);
• разработать новые методы, основанные на эмбриональных стволовых клетках для скрининга с высокой пропускной способностью токсичности малых молекул, которые могут использоваться для лечения заболеваний человека [эмбриотоксикология in vitro).
Результаты этого проекта будут способствовать разработке новых лечебных стратегий, направленных на «восстановление» поврежденных или больных органов, которые станут альтернативой трансплантации, а также обеспечат замену использованию животных при скрининге лекарств.
Точная последовательность генома млекопитающих определяет общее содержание информации, которая контролирует развитие организма из оплодотворенной яйцеклетки во взрослый организм с его приблизительно 200 различными тканями. Следующая основная задача - это понять каким образом эта информация используется в подгруппах генов в развитии организма - подгруппами, которые определяют плюрипотентность или мультипотентность стволовых клеток; подгруппами, которые определяют состояние диф-ференцировки, каким образом осуществляется переход между этими состояниями, процесс, который называется индукция направленной дифференцировки [коммитирова-ние). Участники проекта FunGenES займутся решением этой задачи. В результате будет сделана генетическая карта, используя профили экспрессии, скрининг с высокой пропускной способностью, подгруппы генов, применяемые в плю-рипотентных, линейно-коммитированных и выборочно дифференцированных клеточных типах для того, чтобы составить атлас участия генома млекопитающих на ранних стадиях развития. Поразительные качества эмбриональных стволовых клеток являются основными в работе проекта FunGenES, ведь эмбриональные стволовые клетки обладают свойством плюрипотентности, могут дифференцироваться в производные трех зародышевых листков.
Научное сообщество, созданное для решения проекта FunGenES состоит из 4 подгрупп, занимающихся соответственно:
- определением плюрипотентных стволовых клеток и их пролиферацией [«самообновлением»);
- дифференцировкой клеток эктодермы и ее производных [нейронов и глиальных клеток);
- дифференцировкой клеток эндодермы и ее производных [гепатоцитов и р-клеток поджелудочной железы);
- дифференцировой клеток мезодермы [кардиомиоци-тов, жировых и эндотелиальных клеток).
Во избежание любых потенциальных этических проблем, в исследованиях, проводимых в рамках проекта FunGenES, клетки человека не применяются, используются только эмбриональные стволовые клетки мыши.
Проект FunGenES собрал группу ведущих специалистов в области основных направлений дифференцировки эмбриональных стволовых клеток. В сообщество FunGenES входят ученые из 6 европейских стран [Германия, Франция, Италия, Великобритания, Португалия, Г реция). Бюджет проекта составляет более 12 млн евро и будет увеличен за счет значительного вклада от 6-й Рамочной Программы Европейского Союза.
В исследовательской работе FunGenES задействованы высокотехнологичные отрасли, такие как BAC трансгенная инженерия [для эффективного производства различных линий клеток), РНК-интерференция [esiRNA) и управление базой данных профиля экспрессии. Эти ресурсы централизованы, а методология унифицирована для всех партнеров FunGenES. Поняв, как информация генома млекопитающих
Клеточная трансплантология и тканевая инженерия Том III, № 1, 2008
От редакции
выборочно используется в развитии, мы получим основной ключ к пониманию самих себя и своего здоровья.
Вторым научным сообществом является CRYSTAL.
Современные методы криоконсервации клеток представляют собой компромисс между предотвращением образования повреждающих кристаллов льда и токсическими воздействием криопротекторов. В частности, свойство различных популяций стволовых клеток подвергаться процессу замораживания не до конца поняты, жизнеспособность эмбриональных стволовых клеток человека низка после замораживания. Следовательно, должно быть исследовано влияние краткосрочного замораживания и криопрезервации средней продолжительности на свойства клеток.
Целью сообщества CRYSTAL является разработка средств и процедур, которые сделают возможной криоконсервацию различных типов стволовых клеток для создания достаточного количества высококачественных клеток, пригодных для их безопасного использования при лечении человека. С этой целью общество CRYSTAL выполнит целенаправленное исследование методов, средств и протоколов, необходимых для оптимальной криоконсервации и хранения стволовых клеток. Будут исследованы следующие нерешенные методологические и экспериментальные аспекты хранения стволовых клеток:
- валидация и оптимизация протоколов идентификации, характеристики, поддержания и выращивания стволовых клеток;
- разработка и валидация метода криоконсервации стволовых клеток;
- определение методов валидации свойств стволовых клеток после размораживания, включая сохранение и выращивание, способность к приживлению и т.д.
В проекте CRYSTAL применяется комплексный подход, используются как соматические, так и эмбриональные стволовые клетки для исследования недостатков, ограничивающих хранение стволовых клеток с последующим применением в лечебных целях. Сообщество разработает средства и оптимальные процедуры возможной криоконсервации различных типов стволовых клеток и безопасного производства достаточного количества высококачественных клеток для лечения человека. Будут составлены стандартизованные протоколы и разработаны средства для получения, идентификации и культивирования стволовых клеток, новые подходы их криоконсервации и автоматизированная система контроля качества стволовых клеток.
В этой работе объединились пять исследовательских лабораторий, обеспечивающих различные источники взрослых [из пуповинной крови, костного мозга и плаценты) клеток и эмбриональных стволовых клеток человека и два учреждения, специализирующиеся в хранении и фундаментальной криобиологии. Научную работу поддерживает профессиональный отдел управления проектом, а также группа, обеспечивающая эффективное распространение и использование полученных результатов.
Ожидается, что CRYSTAL разработает ряд оптимизированных, валидных протоколов, обеспечивающих основные аспекты хранения стволовых клеток, а также усовершенствует методы подготовки и культивирования, сохранения и валидации. Эти оптимизированные, валидные методы и средства будут доступны научному сообществу для поддержания инициатив в области хранения стволовых клеток, обеспечивая, таким образом, прочное основание для будущей разработки методов лечения с использованием стволовых клеток.
Interview with Professor Jurgen Hescheler, the president of the German Society of Stem Cell Research
Doctor Hescheler, what would you say about the perspectives of cell technologies in medicine of the 21st century?
- As a new editor of the Journal of Cell Transplantology and Tissue Engineering I would like to contribute to an opening of this journal to the international scientific community and thus to enhance the international networking between East and West in this exciting field of Regenerative Medicine and Stem Cell Research. There is no doubt that the stem cell work will be the most promising approach in medicine of the 21st century and probably revolutionize the therapy of many diseases including cardiac infarction and failure, diabetes, Parkinson’s disease, spinal cord lesion etc.
In my view it is the aim of all of us to provide a fundamental basis to the development of new medical treatments. Stem cell research exactly meets these requirements of a clinically oriented basic research which also reveals interesting aspects in the basic aspects of what life is. On the other hand, stem cell research is a broad field which requires nearly all techniques of modern life science including genetics, cell biology, physiology, biochemistry, histology, etc.. It also requires the input of experimental surgery and bioengineering technologies as well as imaging techniques. Especially the field of stem cell research and regenerative medicine provides an ideal opportunity for networking and bringing together groups all over the world devoted to the establishment of new cellular therapies derived
from a solid scientific basic research. My work group has always kept to this idea and promotion of communication between various fields of research which has always brought us ahead in stem cells research:
What are the main expertise and competence of your team?
- I have been working with embryonic stem cells of the mouse as early as 1989. Beginning with studies on cellular signal transduction, my co-workers an myself have defined many significant basic aspects both of fundamental research and of clinical applications. We were the first scientists worldwide to perform electro/physiological experiments on stem cells thus pioneering the establishment of stem cell research for application in transplantation medicine. We investigated a variety of derivatives from embryonic stem cells and derivatives including cardiac, skeletal and smooth muscle cells, endothelial cells and hematopoietic cells, hepatocytes as well as neuronal and glial cells. Using various physiological methods we could unequivocally demonstrate that the functional properties exactly correspond to those cells which can be isolated from murine embryos of the same age.
Traditionally we started with aspects of the signal transduction pathways and functional genomics in stem cells [embryonic stem cells and adult stem cells) and their transposition into the cellular function and genetics [functional
Клеточная трансплантология и тканевая инженерия Том III, № 1, 2008
■ И I II II
genomics). The importance of this work both for research on the fundamentals of cellular biology, and for possible medical applications [tissue repair), led to the early creation of various specialised working groups under my supervision at the Institute of Neurophysiology at the University of Cologne. These subgroups consist of scientists with different expertises, all of them sharing a fundamental interest in stem cell differentiation. The main expertise and competence are in genetics, the use of knockout technologies, the modification of stem cells [e.g. expression of the green fluorescent protein reporter gene), signal transduction and the extra-cellular matrix, not to mention the provision of optimised transplant models and mouse analytics. In our institute we use adult and embryonic stem cells in parallel. Our approaches to both cell systems is comparative. This not only ensures maximum efficiency, but also international competitiveness. In the mouse model we could demonstrate that cardiomyocytes derived from embryonic stem cell can be transplanted and integrate into the host tissue thus repairing the defects of the infarction. In 2003 I obtained, as one of the first German scientists, permission from our government to import human embryonic stem cells. Since this time we have been transferring our technology of embryonic stem cell differentiation to the human embryonic stem cells.
Where is the stem cell field now - immediate aims and the future of clinical application of cardiomyocytes and neural stem cells derived from embryonic stem cells?
- During the last years we intensively worked on lineage-selection protocols in order to obtain pure cardiac or neuronal tissue from embryonic stem cells. We were able to demonstrate that these cells can be transplanted into the infracted heart or brain without development of tumours. In the case of cardiomyoplasty it was intriguing to see that the heart significantly improved after cell replacement therapy. Also the survival rate clearly and significantly improved. All these experiments have been done so far only on mice and we are eager to transfer them to human embryonic stem cells. Our long term aim is the treatment of patients and this is -in my view- only possible with human embryonic stem cells [adult stem cells didn’t work in our hands). Moreover, in order to prevent possible immunological problems we must now build up an embryonic stem cell bank under GMP conditions, so that every patient will receive a cell therapy with an optimal HLA-mapping. A stem cell bank for later clinical usage is also needed since the cells which are now available are probably contaminated with viruses as they were co-cultivated with murine feeder layer cells. Hence, in Germany we can now work on basic scientific questions but will not be able to participate on building up such a stem cell bank and taking part in clinical trials in the future.
Recent progress in the cardiotypic differentiation of embryonic- and reprogrammed somatic cells opens novel prospects for the treatment of cardiovascular disorders. Cellular cardiomyoplasty therefore represents a possible alternative therapeutic strategy. Cellular replacement therapy represents a novel strategy for the treatment of heart failure. This approach has become a recent focus of research because of the steady decline of human donor hearts, the possible risks associated with xenotransplantation and the rapid improvement of stem cell culture techniques. Currently, different animal models and cell types are employed to test the efficacy of cellular cardiomyoplasty. The mouse model bears distinct advantages in particular (i) the possibility to investigate a large number of animals, (ii) the availability of transgenic- and immunologically tolerant strains as well as (iii) the easy use of murine stem cells. However, to date cellular cardiomyoplasty upon heart injury has not been established in mice probably due
to the small animal size and the resulting high perioperative mortality as well as the difficulties with intramural injection of cells and problems of their detection after implantation.
Reprogramming. Just recently, scientists reported reprogramming fetal mouse as well as human somatic cells which express very similar characteristics to embryonic stem cells. This technique could one day enable researchers to generate cell lines tailored to individual patients without the use of eggs or embryos. The reports extend a finding made last year by Yamanaka’s team. By inserting various combinations of genes related to pluripotency active in mouse ES cells, the researchers discovered a combination of four genes that, when introduced into skin cells from mice’s tails, conferred ES-like properties upon them. The teams all began by following Yamanaka’s procedure, using a viral vector to introduce copies of genes for four transcription factors active in ES cells: Oct4, Sox2, c-Myc, and Klf4. As the reprogramming works for only one in every 1000 cells, the researchers needed to weed out the nonstarters. The cells selected using these markers appear to have all the same traits as ES cells. To test this hypothesis, the researchers tagged the reprogrammed cells, called induced pluripotent stem (iPS) cells, with a fluorescent dye and injected them into early-stage mouse embryos. Some of the resulting chimeric animals had descendents of the iPS cells throughout their bodies. The researchers confirmed this by successfully breeding the chimeras to normal mice. This showed that iPS cells had made it to the germ line in the chimeras. A likely alternative would be the use of small molecules to penetrate cell walls and turn on production of the necessary transcription factors. It is still a long way to potential therapies with reprogrammed adult cells. In this environment, the reprogramming studies are likely to be seized on by critics of ES cell research as further evidence that there is no need for the contentious practice of destroying early embryos to obtain stem cells.
Do you think if there is any therapeutic potential of adult stem cells for cardiomyoplasty?
- Cellular replacement therapy is considered a valuable strategy for the treatment of heart failure. Clinical trials are ongoing where patients receive autologous bone marrow cells after myocardial infarction. Although this treatment is claimed to be safe for the patients, we previously demonstrated that injection of mesenchymal stem cell-like enriched- or whole bone marrow cells into infracted mouse hearts carries a high risk of extensive bone formation. This is generated by the mesenchymal stem cell fraction of bone marrow. Our findings raise serious safety concerns as they imply that the fate of multipotent bone marrow-derived cells is not properly controlled by the engrafted tissue. There is no clear evidence that this works.
Would you tell us about scientific communities engaged in cell technologies in Germany?
- In 2003 scientists at the Universities of Cologne and Bonn established the German Society of Stem Cell Research as a Research Community which meanwhile grew considerably and has more than 250 members from all major universities and research institutions throughout Germany as well as from Austria, Switzerland, Holland and Belgium. When founding the German Society of Stem Cell Research, we mainly intended to built up a new basis for supporting stem cell research in Germany and the German spoken countries, and to assemble all scientists interested in this and related fields of research including material sciences, biotechnology, genetics, cell biology, basic as well as applied sciences and thus building a scientific basis for novel therapies and a later clinical application of the
Клеточная трансплантология и тканевая инженерия Том III, № 1, 2008
От редакции
regenerative medicine. Most importantly this should be an independent society which is not dominated by a few people but lead from the basis in a democratic manner. This will be reached by intensifying the scientific exchange between our members and especially supporting young scientists. Also more influence should be gained on the political decision makers in order to improve and to advance the research on stem cells and regenerative medicine within the German spoken countries, as well as to give this research field an official basis to strengthen its interests in an international context. Profound public relation approaches and qualified discussions concerning ethical issues around regenerative medicine will be provided. We further organize annual meetings where particularly the young stem cell researchers will be given a forum for presenting their innovative results. It is important that the stem cell research can develop as a «normal» field of science, i.e. that all hypes and downs, all positive and negative aspects, as well as the not so spectacular but important results should be reported and discussed. Most important also is that our younger colleagues will get the chance to show their data and discuss with others. Only this will help to strengthen the promotion of our offspring. Further information as well as the registration form can be found on the internet site www.stammzellforschung.com or www.stammzellforschung.de. Stem cell scientists from Russia are welcome to join the society.
What are the perspectives of collaboration of Russian and German scientists within the European Union?
- In my view there should be an integrated European-Russian effort to promote the embryonic stem cell research in order to come to a therapy with all safety aspects thoroughly considered as soon as possible. Therefore European guidelines must be established guaranteeing the participation of all European partners in European research projects on embryonic stem cells under the same conditions. This must prevent German scientists being disadvantaged doubly. Firstly they will lose European funding and secondly they will be completely overtaken by other groups who have just entered the field. Equal rights and conditions should be guaranteed for all European scientists, especially when planning experimental collaborations with Russian scientists! Stem cells are at the centre of biomedical research: besides advancing the basic understanding of human development and cellular differentiation processes, stem cells hold the unique potential for novel therapies of degenerative diseases such as ischemia of the heart, Parkinson’s disease, diabetes, and certain types of tumours. Future human stem cell therapy, however, will have to build on a readily available, safe and reliable supply of high-quality human stem cells which must be assured by cell banking. Today’s banking approaches still rely on storing sources of stem cells rather than on banking of defined, well-characterised stem cell populations (both adult and embryonic) and conditions for reliable outgrowth are still in the stage of infancy. Isolation, identification and culture of stem cells are not standardised between laboratories, and reproducibility of protocols is limited. Culture of human embryonic stem (ES) cells routinely requires the use of animal products or cells, thus currently ruling out their therapeutical use. In vitro culture and expansion of hematopoietic stem cells, either from adult bone marrow or cord blood, is far from optimal and needs further research in order to overcome problems related to insufficient numbers of obtained stem cells and aging of the obtained stem cell population. In addition, for many stem cell types cryopreservation itself has not yet been optimised and validated for the different cell types, and multiple cell biological and biophysical challenges remain to be addressed in order to define optimised cryopreservation protocols. Committed to far-
reaching openness in research, the European consortia will setup a dedicated training and communication plan to inform other researchers and the general public about the research carried out and the results achieved. In particular, a trainee programme will help to integrate young scientists into the consortium and inform outside researchers on the latest findings. International scientific cooperation will be fostered through existing contacts, especially with scientists connected through the associated network. The broader public will be informed through a public website, brochures and a public seminar which will be organised towards the end of the project. At present I am coordinator of two European consortia and thus know the advantage of research in a large group. This should also apply with the Russian scientists.
Two examples of European stem cell research with different aspects within consortia of European countries:
FunGenES (Functional Genomics in Engineered ES cells) is a European project assembling 18 organisations from industry and research who work together to investigate the functional genomics of mouse embryonic stem cells. The main objectives of FunGenES are:
• To develop a detailed fundamental understanding of embryonic stem cell differentiation and lineage commitment to different organ specific cells, with identification of potential novel target genes for therapeutic intervention
• To derive new cellular and molecular tools which allow characterization of gene function in tissue specific cell populations (Functional Genomics)
• To develop new embryonic stem cell-based methods for high throughput screening of the toxicity of small molecules that are candidates for therapy of human diseases (in vitro embryo-toxicology).
The results of FunGenES will contribute to enable future therapeutic strategies targeting the «repair» of damaged or diseased organs as alternatives to transplantation and also provide an altertive to the use of animals in drug screening.
The complete sequence of a mammalian genome defines the total information content which controls the development from the fertilized oozyte up to the adult organism with its approx. 200 different tissues. The next major challenge is to understand how the information is used in subsets of genes during development - subsets that define the pluripotent or multipotent state of stem cells; subsets that define differentiated states; and how the transitions between these states are made, a process called lineage commitment. The research partnership, FunGenES, will address this challenge. FunGenES will map, using both expression profiling and high throughput functional screens, the subsets used in pluripotent, lineage committed and selected differentiated cell types to make an atlas of mammalian genome utilization in early development. The remarkable properties of embryonic stem cells are key to the work within the FunGenES consortium. Embryonic stem cells are pluripotent, can be differentiated through the three major developmental germ line pathways; ecto- endo- and mesoderm, to many committed cell types, and can be genetically engineered. The FunGenES consortium is accordingly organised in 4 subgroups, respectively working on:
(a) the definition of pluripotent stem cells and their proliferation («self renewal»),
(b) the differentation of ectodermal cells in their derivates (neurons and glia cells),
(c) the differentation of endodermal cells and their derivates (liver cells and insulin-producing p-cells) and
(d) the differentation of mesodermal cells (heart muscle cells, adipocytes and endothelial cells).
Manipulation of mouse embryonic stem cells also presents paradigms for the development of adult stem cell therapies. In
Клеточная трансплантология и тканевая инженерия Том III, № 1, 2008
I I I I I I
ГЕ^КШ
От редакции
order to avoid any potential ethical problems the use of human cells are excluded in the FunGenES project, only embryonic stem cells of the mouse are used.
To accomplish this next major milestone in the post genomic biology era, the FunGenES project assembles a team of leading academic and industrial experts in the major pathways of embryonic stem cell differentiation. FunGenES research work is supported by common services provided by world leaders in three technology areas, which include BAC transgenic engineering (for efficient production of lineage reporter and selectable lines), RNAi (esiRNA, for high throughput functional screens) and database management of expression profiling. These resources are centralized, and methodologies are unified for all FunGenES partners, with the substantial aim to efficiently generate a functional and expression atlas database for embryonic stem cells and their derivates. By understanding how mammalian genomic information is selectively used in development, we will acquire an essential key to understanding ourselves, and our health.
The FunGenES consortium consists of scientists from 6 European countries (Germany, France, Italy, UK, Portugal, Greece). Prof. Jurgen Hescheler from the University of Cologne is scientific coordinator. The FunGenES project has a budget of over 12 million euro and will receive a substantial financial contribution from the 6th Framework Programme of the European Union.
The CRYSTAL consortium. Current methods represent a trade-off between preventing formation of damaging ice crystals and toxic effects of cryoprotectants. In particular, amenability of different stem cell populations to freezing is not well understood, the viability of human embryonic stem cells is low after freezing, and short- and mid-term effects of freezing on cellular properties remain to be investigated.
The aim of CRYSTAL is to develop tools and procedures to enable cryopreservation of different stem cell types for generation of sufficient numbers of high-quality cells suitable for safe human stem cell therapy. To this end, CRYSTAL will carry out focused research on methods, tools and protocols required for optimal cryopreservation and banking of stem cells.
In order to achieve this objective, the following unresolved methodological and experimental aspects of stem cell banking will be addressed.
1. Scientific validation and optimisation of protocols for identification, characterisation, maintenance and expansion of stem cells
2. Establishment and validation of the cryopreservation of stem cells
3. Definition of validation methods of the properties of stem cells after defreezing, including maintenance and expansion, engraftment capability etc.
Approach and methodology. The CRYSTAL project pursues an integrated approach using both somatic and embryonic stem cells to address the current shortcomings limiting the routine application of stem cell banking with a therapeutic perspective. The consortium will develop tools and optimised procedures to enable cryopreservation of different stem cell types and allow safe production of sufficient numbers of high-quality cells for future human therapy. This will comprise standardised protocols and tools for stem cell isolation, identification and culture, novel approaches to their cryopreservation (e.g. novel cryoprotectants, freezing in different conformations) and an automated quality control system for stem cell preparations. Five stem cell research laboratories providing four different sources of adult (from cord blood, bone marrow and placenta) and human embryonic stem cells have teamed with two partners specialising in applied banking and fundamental cryobiological research. The scientific experimental work is supported by a unit which will create a common knowledge base for integrating pre-existing know-how from both inside and outside of the consortium and for guiding partner laboratories in the implementation and refinement of SOPs for culturing techniques, cryopreservation and validation of protocols. The scientific work is backed by professional project management and a team ensuring effective dissemination and exploitation of the results obtained. CRYSTAL is thus in a position to solve existing problems in an integrated, systematic approach and to provide standardised, reproducible methods and tools to advance therapeutic stem cell research in Europe.
Expected outcome. CRYSTAL will deliver a set of optimised, validated protocols covering the core aspect of stem cell banking and achieving significant innovation in the three areas of preparation and cultivation methods, preservation methods and validation methods. These optimised, validated methods and tools will be made available to the scientific community to underpin initiatives on stem cell banking, thus providing a solid foundation for the future development of stem cell therapies.
Клеточная трансплантология и тканевая инженерия Том III, № 1, 2008
А
