Der künstlichen Nashorn-Eizelle ein Stück näher

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Um das Aussterben der nördlichen Breitmaulnashörner noch zu verhindern,
will das internationale Konsortium BioRescue unter anderem Eizellen der
Tiere aus Stammzellen erschaffen. Diesem Ziel ist ein Team um Sebastian
Diecke vom MDC und Micha Drukker von der Universität Leiden nun
nähergekommen, berichten sie in „Scientific Reports“.

Gemeinsame Pressemitteilung von MDC und Leibniz-Institut für Zoo- und
Wildtierforschung

Fatu und Najin sind die beiden letzten nördlichen Breitmaulnashörner auf
der Welt, eine natürliche Fortpflanzung ist damit unmöglich und ein
Aussterben quasi nicht mehr zu verhindern. Doch das internationale
BioRescue-Konsortium arbeitet unter Hochdruck daran, dass die Unterart des
Breitmaulnashorns nicht gänzlich von der Erdoberfläche verschwindet. Die
Forscherinnen und Forscher verfolgen dabei zwei Strategien: Sie entwickeln
zum einen fortgeschrittene Methoden der assistierten Reproduktion.  Zum
anderen wollen sie im Labor aus Hautzellen des nördlichen
Breitmaulnashorns induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen) und
schließlich Eizellen erzeugen. Dabei ist das Team des Max-Delbrück-Centrum
für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft (MDC) gemeinsam mit
Partnern in München, den Niederlanden und Japan nun einen großen Schritt
vorangekommen. Im Fachjournal „Scientific Reports“ beschreiben sie, dass
sie pluripotente Nashornstammzellen gewonnen und eingehend untersucht
haben. „Unsere nun veröffentlichte Arbeit trägt zum Verständnis der
Pluripotenz bei – also zur Fähigkeit vom Stammzellen, in alle Körperzellen
zu differenzieren“, sagt Erstautorin Dr. Vera Zywitza von der
Technologieplattform „Pluripotente Stammzellen“ unter der Leitung von Dr.
Sebastian Diecke am MDC. „Damit markiert sie einen bedeutenden Meilenstein
auf dem Weg zur künstlich erzeugten Nashorn-Eizelle.“

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert das BioRescue-
Projekt mit vier Millionen Euro. Neben dem federführenden Leibniz-
Instituts für Zoo- und Wildtierforschung (Leibniz-IZW) ist in Deutschland
das MDC daran beteiligt, und das Helmholtz Zentrum München ist ein
Kooperationspartner von BioRescue.

Hohe Zellingenieurskunst

iPS-Zellen können in der Kulturschale alle Zellen des Körpers
hervorbringen. Bei dem Vorhaben, daraus Keimzellen zu machen, arbeiten die
Forscher*innen eng mit dem Labor des japanischen Stammzellforschers
Professor Katsuhiko Hayashi von der Kyushu-Universität zusammen. Hayashi
ist es 2016 gelungen, aus der Haut von Mäusen Eizellen zu generieren,
diese künstlich zu befruchten und weiblichen Mäusen einzupflanzen. Die mit
dieser Methode gezeugten Mäuse waren gesund und fruchtbar.

Die Herstellung der iPS-Zellen gelang dem Stammzellforscher Professor
Micha Drukker und seinem Team vom Helmholtz Zentrum München sowie vom
Leiden Academic Centre for Drug Research der Universität Leiden mit der
Methode der episomalen Reprogrammierung. Dafür hat der Forscher fremde
DNA-Moleküle in die Hautzellen eingeschleust, sogenannte Plasmide. Sie
enthalten Gene, die die Hautzellen zu iPS-Zellen reprogrammieren. Die so
erzeugten Nashornstammzellen sind humanen iPS-Zellen erstaunlich ähnlich.
„Unter dem Mikroskop sind sie kaum von menschlichen iPS-Zellen zu
unterscheiden,“ sagt Micha Drukker. „Außerdem reagieren sie sehr ähnlich
auf äußere Einflüsse.“

Vielversprechender Ausgangspunkt, um Keimbahnzellen zu kultivieren

Es gibt verschiedene Zustände von iPS-Zellen. Sie können naïv – in einem
sehr ursprünglichen Zustand – oder geprimed vorliegen. Von letzterem nimmt
man an, dass er in der Embryonalentwicklung etwas weiter vorangeschritten
ist. Aus Versuchen mit Stammzellen von Mäusen ist bekannt, dass sie
Keimbahnzellen besonders gut beim Übergang von geprimed zu naïv
hervorbringen. Beim Versuch, die Nashornzellen in den naïven Zustand zu
versetzen, starben diese jedoch zunächst ab. Deshalb führten die
Forschenden ein Gen in die Nashornzellen ein, das den Zelltod verhindert.
Mit Erfolg: Sie erhielten naïve iPS-Zellen. „Wir haben die Zellen
ausführlich unter anderem durch Analyse von Transkriptomdaten
charakterisiert“, erklärt Vera Zywitza. „Die erfolgreiche Konvertierung in
den naïven Zustand der Pluripotenz ist ein vielversprechender
Ausgangspunkt, um Keimbahnzellen zu generieren.“

Dennoch machten Vera Zywitza und ihre Kolleg*innen an dieser Stelle
vorerst nicht weiter. „Die iPS-Zellen enthalten dauerhaft fremdes
genetisches Material, nämlich die Reprogrammierungsfaktoren und das Gen
gegen den Zelltod. Daraus können wir keine Keimzellen machen, da das
Risiko besteht, dass diese krankhaft verändert wären“, erklärt Vera
Zywitza. Trotzdem sind diese Zellen ein sehr gutes Werkzeug, um die
Stammzellen des Nashorns an sich zu erforschen und ihre verschiedenen
Zustände besser zu verstehen. Mit ihrer Hilfe können Wissenschaftler*innen
die molekularen Mechanismen erforschen, die in Stammzellen ablaufen. „Wir
können zum Beispiel untersuchen, warum die Tragzeit beim Nashorn 16 Monate
beträgt und bei der Maus nur 21 Tage“, erläutert die Wissenschaftlerin.
„Oder wie sich die Organe in den unterschiedlichen Spezies entwickeln. Wir
können damit wirklich viel über die Evolution lernen.“

Auch Eierstockgewebe wird benötigt

Mittlerweile hat die Arbeitsgruppe von Sebastian Diecke weitere iPS-Zellen
erzeugt. Dabei haben die Wissenschaftler*innen die
Reprogrammierungsfaktoren nicht mithilfe von Plasmiden eingeschleust,
sondern mithilfe von RNA-Viren. Diese neuen iPS-Zellen enthalten nichts
mehr, was nicht hineingehört. Nun versuchen die Wissenschaftler*innen,
daraus Vorläuferzellen von Eizellen herzustellen.

Und nicht nur das: Vorläuferzellen reifen nur zu Eizellen heran, wenn sie
von Eierstockgewebe umgeben sind. Es ist nahezu unmöglich, dieses Material
aus lebenden oder verstorbenen Nashörnern zu erhalten. „Wir müssen also
sowohl Vorläuferzellen kreieren als auch Eierstockgewebe“, fasst Vera
Zywitza zusammen. Auch dabei stehen die Berliner Wissenschaftler*innen mit
Katsuhiko Hayashi in engem Austausch. Er hat im vergangenen Jahr
erfolgreich Eierstockgewebe aus Stammzellen von Mäusen kultiviert.

Bislang 14 Embryonen durch assistierte Reproduktion

Derweil gibt es ebenfalls Fortschritte in der assistierten Reproduktion:
Zuletzt hatten Wissenschaftler*innen des Leibniz-IZW in Zusammenarbeit mit
dem Kenya Wildlife Service, dem Wildlife Research and Training Institute,
dem Safari Park Dvůr Králové und der Ol Pejeta Conservany im Januar 2022
Eizellen von Fatu entnommen. Im Avantea-Labor in Italien wurden sie zur
Reifung gebracht und mit dem aufgetauten Sperma eines bereits verstorbenen
Bullen befruchtet. Insgesamt 14 Embryonen des nördlichen Breitmaulnashorns
gibt es jetzt. Sie schlummern bei minus 196 Grad in flüssigem Stickstoff.
In naher Zukunft werden die Wissenschaftler*innen sie Leihmüttern des
südlichen Breitmaulnashorns einpflanzen, in der Hoffnung, dass ein
gesundes Kalb auf die Welt kommt.

14 Embryonen – das ist ein großer Erfolg der Reproduktionsbiologie. Es ist
jedoch nicht viel, wenn daraus eine sich selbsterhaltende Anzahl von
Tieren werden soll. „Najin und Fatu sind zudem eng miteinander verwandt
und ihre Erbanlagen teilweise identisch“, sagt BioRescue-Projektleiter
Professor Thomas Hildebrandt vom Leibniz-IZW. „Von Najin konnten wir
aufgrund ihres Alters und Beeinträchtigungen im Reproduktionstrakt keine
Eizellen gewinnen, aus denen erfolgreich Embryonen erzeugt werden konnten
– alle 14 Embryonen stammen von Fatu. Wir brauchen daher dringend eine
komplementäre Strategie, um von deutlich mehr Individuen Gameten – also
Eizellen und Spermien – zu erzeugen.“

Arten erhalten, bevor es zu spät ist

„Funktionsfähige Eizellen des nördlichen Breitmaulnashorns – das wäre die
Krönung unserer Forschungsarbeit“, sagt Sebastian Diecke. Sie könnte
Vorbildcharakter für andere bedrohte Tierarten haben: Gelingt die
Fortpflanzung aus Stammzellen, könnten auf diese Weise weitaus mehr
bedrohte oder vom Menschen bereits ausgerottete Arten wiederbelebt werden.
Im Frozen Zoo – dem „Gefrorenen Zoo“ – am Beckman Center for Conservation
Research in San Diego und in der Biobank des Instituts für
Wildtierforschung in Berlin lagern über 10.000 tiefgefrorene Zellkulturen
von mehr als 1.000 bedrohten Arten. „Diese Ressource könnte man
verwenden“, sagt Sebastian Diecke. Das nördliche Breitmaulnashorn wäre
dann nur der Anfang – „auch wenn es mir am besten gefallen würde, wenn
unser Ansatz nie verwendet werden müsste und mehr für die Arterhaltung
getan wird, bevor es zu spät ist.“

Für Vera Zywitza steht derweil fest: Sollte irgendwann ein nördliches
Breitmaulnashorn dank Stammzelltechnologien geboren werden, würde sie es
gerne kennenlernen.

Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC)

Das Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-
Gemeinschaft gehört zu den international führenden biomedizinischen
Forschungszentren. Nobelpreisträger Max Delbrück, geboren in Berlin, war
ein Begründer der Molekularbiologie. An den MDC-Standorten in Berlin-Buch
und Mitte analysieren Forscher*innen aus rund 60 Ländern das System Mensch
– die Grundlagen des Lebens von seinen kleinsten Bausteinen bis zu
organübergreifenden Mechanismen. Wenn man versteht, was das dynamische
Gleichgewicht in der Zelle, einem Organ oder im ganzen Körper steuert oder
stört, kann man Krankheiten vorbeugen, sie früh diagnostizieren und mit
passgenauen Therapien stoppen. Die Erkenntnisse der Grundlagenforschung
sollen rasch Patient*innen zugutekommen. Das MDC fördert daher
Ausgründungen und kooperiert in Netzwerken. Besonders eng sind die
Partnerschaften mit der Charité – Universitätsmedizin Berlin im
gemeinsamen Experimental and Clinical Research Center (ECRC) und dem
Berlin Institute of Health (BIH) in der Charité sowie dem Deutschen
Zentrum für Herz-Kreislauf-Forschung (DZHK). Am MDC arbeiten 1600
Menschen. Finanziert wird das 1992 gegründete MDC zu 90 Prozent vom Bund
und zu 10 Prozent vom Land Berlin.