Vom Menschen induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) haben ein großes Potenzial für wissenschaftliche und medizinische Anwendungen. Sie werden in Forschungslaboren zur Modellierung menschlicher Krankheiten eingesetzt und helfen dabei, zugrunde liegende Mechanismen aufzudecken und neue Therapien zu entwickeln. Darüber hinaus werden sie in klinischen Studien als Lösung für regenerative Therapien gegen Krankheiten wie Parkinson getestet, mit dem Ziel, die Funktion wiederherzustellen und die Behandlungsergebnisse für die Patienten zu verbessern.
iPSCs können aus somatischen Zellen, beispielsweise aus Haut oder Blut erwachsener Spender, gewonnen werden, indem diese Zellen mithilfe von Pluripotenzfaktoren umprogrammiert und in Zellen mit embryonalen stammzellähnlichen Eigenschaften umgewandelt werden. Diese iPSCs können sich unbegrenzt vermehren und zu verschiedenen Geweben entwickeln, was sie für die Forschung und möglicherweise für die personalisierte regenerative Medizin wertvoll macht. Gleichzeitig tragen sie dazu bei, die Zahl der Versuchstiere in der Forschung zu reduzieren.
Obwohl Qualitätskontrollen für iPSCs unerlässlich sind, sind sie noch nicht vollständig standardisiert. Diese Qualitätskontrollen umfassen die Beurteilung der Morphologie, der Integrität des nuklearen und mitochondrialen Genoms sowie der Pluripotenz, dh ihrer Fähigkeit, sich in die drei primären Keimblätter Endoderm, Ektoderm und Mesoderm zu differenzieren. Daher besteht ein dringender Bedarf an Testmethoden, die einfach, schnell und kostengünstig sind.
In einem vorheriges Studium veröffentlicht in Stammzellberichteuntersuchte das Labor von Dr. Andrea Rossi am IUF – Leibniz-Forschungsinstitut für Umweltmedizin die Integrität des mitochondrialen Genoms.
Eine neue Studie kürzlich veröffentlicht in Naturkommunikation von Jochen Dobner und Kollegen konzentriert sich auf Pluripotenz. Mithilfe der Long-Read-Sequenzierung des Nanoporen-Transkriptoms entdeckten die Autoren 172 Gene, die mit Zellzuständen verknüpft sind, die nicht von den aktuellen Richtlinien abgedeckt werden.
Sie validierten 12 Gene durch qPCR (quantitative Polymerasekettenreaktion) als einzigartige Marker für spezifische Zellschicksale: undifferenzierte pluripotente iPSCs (CNMD, NANOG, SPP1), Endoderm (CER1, EOMES, GATA6), Mesoderm (APLNR, HAND1, HOXB7) und Ektoderm (HES5, PAMR1, PAX6).
Basierend auf diesen ausgewählten Genen entwickelten sie ein auf maschinellem Lernen basierendes Bewertungssystem, „hiPSCore“, das auf 15 iPSC-Linien trainiert und auf weiteren 10 iPSC-Linien validiert wurde. Der hiPSCore klassifiziert pluripotente und differenzierte Zellen genau und sagt ihr Potenzial voraus, sich zu spezialisierten 2D-Zellen und 3D-Organoiden zu entwickeln.
„Wir sind stets bestrebt, die von uns eingesetzten Methoden zu verbessern“, erklärt Dr. Rossi, Gruppenleiter am IUF. „Wir planen, in den nächsten Jahren Qualitätskontrollen für den standardisierten Einsatz von iPSCs weiterzuentwickeln.“
Dr. Dobner, Erstautor der Studie, fügt hinzu: „Maschinelles Lernen ist ein attraktives Werkzeug zur Optimierung von Prozessen. Unser entwickelter hiPSCore verbessert iPSC-Tests, indem er Zeit, Subjektivität und Ressourcenverbrauch reduziert und so die iPSC-Qualität für wissenschaftliche und medizinische Anwendungen verbessert.“
Weitere Informationen:
Jochen Dobner et al, Mitochondriale DNA-Integrität und Metabolomprofil bleiben in der vom Menschen induzierten pluripotenten Stammzellreferenzlinie KOLF2.1J erhalten, Stammzellberichte (2024). DOI: 10.1016/j.stemcr.2024.01.009
Jochen Dobner et al, Neubewertung von Markergenen in humanen induzierten pluripotenten Stammzellen zur verbesserten Qualitätskontrolle, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-52922-1
Bereitgestellt vom Leibniz-Institut für umweltmedizinische Forschung