Ein großer Schritt zur Produktion von Nashorn-Gameten

Um das Nördliche Breitmaulnashorn vor dem Aussterben zu bewahren, bemüht sich das BioRescue-Team darum, im Labor gezüchtete Ei- und Samenzellen der vom Aussterben bedrohten Unterart zu erzeugen. Das Team hat nun einen Meilenstein in vermeldet Wissenschaftliche Fortschritte: Sie haben aus Stammzellen Urkeimzellen erzeugt – eine Weltneuheit.

Die 33-jährige Najin und ihre Tochter Fatu sind die letzten überlebenden Nördlichen Breitmaulnashörner auf dem Planeten. Sie leben zusammen in einem Naturschutzgebiet in Kenia. Mit nur noch zwei Weibchen ist diese Unterart der Breitmaulnashörner nicht mehr in der Lage, sich fortzupflanzen – zumindest nicht alleine.

Aber alle Hoffnung ist nicht verloren: so ein in der Zeitschrift veröffentlichter Artikel Wissenschaftliche Fortschrittehat ein internationales Forscherteam erfolgreich primordiale Keimzellen (PGCs) – die Vorläufer von Nashorn-Eiern und -Spermien – aus embryonalen Stammzellen (ESCs) und induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs) kultiviert.

Dies ist ein wichtiger Meilenstein in einem ehrgeizigen Plan. Das vom Leibniz-Institut für Zoo- und Wildtierforschung koordinierte Projekt BioRescue will das Nördliche Breitmaulnashorn vor dem Aussterben bewahren. Dazu verfolgen die Wissenschaftler zwei Strategien: Eine versucht, aus den Hautzellen verstorbener Nashörner lebensfähige Spermien und Eizellen zu gewinnen.

Die Idee ist, die resultierenden Embryonen in eng verwandte Weibchen des südlichen Breitmaulnashorns zu implantieren, die dann die Ersatznachkommen austragen. Und so könnte die Unterart der Nördlichen Breitmaulnashörner, die der Mensch bereits durch Wilderei effektiv ausgerottet hat, dank modernster Stammzell- und Reproduktionstechnologien noch gerettet werden.

Erster Erfolg mit einer vom Aussterben bedrohten Art

Von einem Stück Haut zu einem lebenden Nashorn zu gelangen, mag eine wahre Meisterleistung der Zelltechnik sein, aber der Prozess selbst ist nicht beispiellos: Der Co-Letztautor der Studie, Professor Katsuhiko Hayashi, leitet Forschungslabors an den japanischen Universitäten Osaka und Kyushu in Fukuoka , wo seine Teams dieses Kunststück bereits mit Mäusen vollbracht haben.

Doch für jede neue Art sind die einzelnen Schritte Neuland. Im Fall des Nördlichen Breitmaulnashorns arbeitet Hayashi eng mit der Technologieplattform Pluripotente Stammzellen von Dr. Sebastian Diecke am Max-Delbrück-Centrum und mit dem Reproduktionsexperten Professor Thomas Hildebrandt vom Leibniz-IZW zusammen. Die beiden Berliner Wissenschaftler sind auch Co-Letztautoren der aktuellen Studie.

„Dies ist das erste Mal, dass es gelungen ist, Urkeimzellen einer großen, vom Aussterben bedrohten Säugetierart aus Stammzellen zu generieren“, erklärt die Erstautorin der Studie, Masafumi Hayashi von der Universität Osaka. Bisher wurde dies nur bei Nagetieren und Primaten erreicht. Anders als bei Nagetieren haben die Forscher das SOX17-Gen als Schlüsselspieler bei der Rhinozeros-PGC-Induktion identifiziert. Auch bei der Entwicklung menschlicher Keimzellen – und damit möglicherweise bei vielen Säugetierarten – spielt SOX17 eine wesentliche Rolle.

Die in Japan verwendeten embryonalen Stammzellen des Südlichen Breitmaulnashorns stammen aus dem Avantea-Labor in Cremona, Italien, wo sie vom Team von Professor Cesare Galli gezüchtet wurden. Die neu gewonnenen Nördlichen Breitmaulnashörner-PGCs stammen hingegen aus den Hautzellen von Fatus Tante Nabire, die 2015 im Safaripark Dvůr Králové in der Tschechischen Republik starb. Für die Umwandlung in induzierte pluripotente Stammzellen war Dieckes Team am Max-Delbrück-Centrum verantwortlich.

Nächster Schritt: Zellreifung

Masafumi Hayashi sagt, dass sie hoffen, die hochmoderne Stammzellentechnologie aus Katsuhiko Hayashis Labor nutzen zu können, um andere gefährdete Nashornarten zu retten: „Es gibt fünf Nashornarten, und fast alle von ihnen sind auf der Roten Liste der IUCN als bedroht eingestuft. “

Das internationale Team verwendete auch Stammzellen, um PGCs des südlichen Breitmaulnashorns zu züchten, das eine Weltpopulation von etwa 20.000 Individuen hat. Darüber hinaus konnten die Forscher zwei spezifische Marker, CD9 und ITGA6, identifizieren, die auf der Oberfläche der Vorläuferzellen beider Breitmaulnashorn-Unterarten exprimiert wurden. „In Zukunft werden uns diese Marker helfen, PGCs zu erkennen und zu isolieren, die bereits in einer Gruppe pluripotenter Stammzellen aufgetreten sind“, erklärt Hayashi.

Die BioRescue-Wissenschaftler müssen sich nun der nächsten schwierigen Aufgabe zuwenden: der Reifung der PGCs im Labor zu funktionsfähigen Ei- und Samenzellen. „Die Urzellen sind im Vergleich zu ausgereiften Keimzellen relativ klein und haben vor allem noch einen doppelten Chromosomensatz“, erklärt Dr. Vera Zywitza aus der Arbeitsgruppe von Diecke, die ebenfalls an der Studie beteiligt war. „Wir müssen also geeignete Bedingungen finden, unter denen die Zellen wachsen und ihren Chromosomensatz halbieren.“

Genetische Variation ist der Schlüssel zur Erhaltung

Eine komplementäre Strategie verfolgt auch Leibniz-IZW-Forscherin Hildebrandt. Er möchte Eizellen von der 22-jährigen Fatu gewinnen und sie in Gallis Labor in Italien mit gefrorenem Sperma befruchten, das von vier inzwischen verstorbenen Bullen des nördlichen Breitmaulnashorns gesammelt wurde. Dieses Sperma wird aufgetaut und in einem Prozess, der als intrazytoplasmatische Spermieninjektion (ICSI) bekannt ist, in die Eizelle injiziert.

Allerdings erklärt Hildebrandt, dass Fatu keinen eigenen Nachwuchs gebären kann, da sie Probleme mit ihren Achillessehnen hat und kein zusätzliches Gewicht tragen kann. Ihre Mutter Najin ist inzwischen über das gebärfähige Alter hinaus und leidet ebenfalls an Eierstocktumoren. „Und da wir nur noch eine Spenderin natürlicher Eizellen haben, wäre die genetische Variation der daraus resultierenden Nachkommen ohnehin zu gering, um eine lebensfähige Population zu schaffen“, fügt er hinzu.

Oberstes Ziel des Teams ist es daher, die nun zur Verfügung stehenden PGCs in Eizellen umzuwandeln. „Bei Mäusen fanden wir heraus, dass das Vorhandensein von Eierstockgewebe bei diesem entscheidenden Schritt wichtig war“, erklärt Zywitza. „Da wir dieses Gewebe nicht einfach den beiden weiblichen Nashörnern entnehmen können, werden wir es wohl auch aus Stammzellen züchten müssen.“

Der Wissenschaftler hofft jedoch, dass Eierstockgewebe von Pferden nützlich sein könnte, da Pferde aus evolutionärer Sicht zu den nächsten lebenden Verwandten der Nashörner gehören. Wenn sich die Menschen nur so gut um das wilde Nashorn gekümmert hätten wie um das domestizierte Pferd, hätte die immense Herausforderung, vor der die BioRescue-Wissenschaftler jetzt stehen, vielleicht ganz vermieden werden können.