Erzeugung von T-Zellen aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen
Team
Die Arbeitsgruppe am Lehrstuhl für Tissue Engineering und Regenerative Medizin arbeitet an dem Verständnis von Tumornischen und darauf aufbauend an der Entwicklung von vorhersagekräftigen präklinischen Testsystemen im Labor (in vitro). Sie umfasst neben zwei Wissenschaftlerinnen, eine technische Assistentin, einen Doktoranden und mehrere Studierende. Gerade auf dem Gebiet der Onkologie schneiden präklinische Testsysteme durch eine mangelnde Vorhersagekraft der Wirksamkeit im Patienten schlecht ab. Herkömmliche Testsysteme arbeiten zumeist mit einfacher Zellkultur mit Jahrzehnte alten Zelllinien auf Plastik oder mit artfremden Tieren. Dies möchten wir verbessern durch die Verwendung von menschlichen primären, d.h. neu isolierten, Zellen. Weiterhin bietet die Stammzelltechnologie seit etwa 15 Jahren die Möglichkeit, die gesamte Tumornische im Labor aufzubauen. Hierbei werden sogn. humane induzierte pluripotente Stammzellen (hiPSC) zu Stromazellen (= Tumor umgebende Zellen) und Endothelzellen (= Gefäßzellen) differenziert. In diesem Projekt möchten wir hiPSC abgeleitete T-Zellen in unserem Labor etablieren, um so präklinische Testsysteme für Immuntherapien in der Onkologie bereitzustellen. Unser Team hat dafür durch etliche Veröffentlichungen nachgewiesene Expertise mit einer Wissenschaftlerin für den Bereich hiPSC und einer Wissenschaftlerin für Tumorgewebe-Modelle und Testungen von Immuntherapien.
Motivation und Innovation
Als vielversprechende Möglichkeit zur Krebsbehandlung gilt die adoptive T-Zelltherapie, bei der T-Zellen von sich selbst oder einem Spender auf den Patienten übertragen werden. Zu diesem Zweck werden T-Zellen isoliert, vermehrt, aktiviert und dann dem Patienten infundiert, um Tumorantigene zu erkennen und Tumorzellen gezielt abzutöten. Der Vorteil von Immuntherapien liegt in der möglichen Entwicklung eines Erinnerungs-Effekts in den Immunzellen, der auch nach längerer Zeit zur Abtötung von Metastasen führen kann, ohne gesunde Zellen zu schädigen.
Ein großer Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass eine große Anzahl von Zellen erforderlich ist, um positive Ergebnisse zu erzielen. Patienten mit schnell fortschreitenden Erkrankungen können nicht darauf warten, dass die isolierten Zellen in vitro ausreichend wachsen und sich vermehren. Eine längere In-vitro-Expansion führt auch dazu, dass sich die Zellen im Körper des Patienten schlechter vermehren und auch die Tumorzellen nicht mehr abtöten.
Unsere Motivation ist es, standardisierte T-Zellen aus kommerziellen hiPSCs herzustellen und ihre Funktionalität in unseren Tumorgewebemodellen zu testen. HiPSCs sind umprogrammierte somatische Zellen mit ähnlichen Merkmalen wie embryonale Stammzellen, die es ihnen ermöglichen, sich selbst zu erneuern und in jeden Zelltyp des Körpers zu differenzieren. Ein Hauptvorteil des Erfolgs dieses Projekts ist die Bereitstellung einer unbegrenzten Menge an T-Zellen, die zum Testen des Erfolgs einer Krebsimmuntherapie in vitro und der Mechanismen der T-Zell-Wirkung verwendet werden können. Dies kann Ärzten erste Anhaltspunkte für Behandlungsentscheidungen geben.
Welche Ziele verfolgt das Projekt?
Obwohl T-Zellen aus peripherem Blut isoliert werden können, ist ihre Menge recht begrenzt. Durch verschiedene Spender kommt es zudem zu starken Schwankungen der Eigenschaften der T-Zellen. Dies ist problematisch für die Herstellung standardisierter präklinischer Testsysteme. Aufgrund der einzigartigen Fähigkeit zur Selbsterneuerung und Differenzierung von Stammzellen ist das Ziel dieses Projektes, hiPSCs als zuverlässige Quelle zur Erzeugung von standardisierten T-Zellen in großer Menge zu nutzen. Diese differenzierten T-Zellen werden unsere Testsysteme erweitern und sollen es ermöglichen, präklinische Testungen für adoptive T-Zelltherapieansätze durchzuführen.
Ansatz des Forschungsprojektes
Durch die Kombination von hiPSC-Kultivierungstechniken und effizienten linienspezifischen Ansätzen zur Differenzierung von Immunzellen wollen wir skalierbare hiPSC-abgeleitete T-Zellen erzeugen. Dazu werden wir zunächst die Differenzierung von hiPSCs in die hämatopoetische Linie initiieren, gefolgt von der Differenzierung und Reifung von T-Zellen. Sobald die Zellen hinsichtlich zellspezifischer Markerexpressionen charakterisiert sind, werden wir sie in unseren Matrix-basierten In-vitro-Modellen auf ihre Funktionalität untersuchen. In unserem Modell können wir die Tumornische durch den Einsatz von Fibroblasten, Endothelzellen und Tumorsphäroiden nachahmen. Wir werden in diesen Modellen untersuchen, ob die differenzierten T-Zellen die Endothelzellschicht infiltrieren, ob sie durch die von den Fibroblasten erzeugte Dichte in die extrazelluläre Matrix wandern und schließlich, ob sie die Tumorzellen erreichen und so zum Tumorzelltod führen können. Nach erfolgreicher Differenzierung und Charakterisierung sind die T-Zellen einsatzbereit und ein erweitertes standardisiertes Testsystem steht für die Präklinik zur Verfügung.
Welche Krebserkrankung soll behandelt werden?
In unserem Projekt konzentrieren wir uns auf die Erzeugung von hiPSC-abgeleiteten T-Zellen, die für Testungen von Immuntherapien in verschiedenen Krebsarten in unseren Testsystemen verwendet werden können. Wir haben in den letzten 14 Jahren Testsysteme vor allem für Lungen-, Darm-, Brust- und Bauchspeicheldrüsenkrebs entwickelt. Bei unseren Testungen werden wir uns zunächst auf den Lungenkrebs konzentrieren, da uns die meisten Vergleichsdaten in unseren Lungenkrebs-Modellen zu Immuntherapien vorliegen.
Warum soll das Forschungsprojekt unterstützt werden?
Die Gewinnung von Immunzellen aus pluripotenten Stammzellen ist ein neues Gebiet, für das nur begrenzte Daten verfügbar sind. Daher sind in diesem Bereich weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten erforderlich, insbesondere um die Reproduzierbarkeit der Produktion sicherzustellen. Darüber hinaus wird die Erzeugung von T-Zellen aus hiPSC das Wissen über Entwicklungsbiologie und Immunologie erweitern, indem wichtige Erkenntnisse für die Spezifikation und Reifung von T-Zellen erzielt werden. Durch die Verwendung von hiPSC-abgeleiteten T-Zellen wollen wir das Potenzial zur Generierung einer unbegrenzten, standardisierten T-Zellquelle erkunden, die für präklinische Testsysteme verlässlich verfügbar ist.