Bahnbrechende Forschungsergebnisse von BGI liefern Zellen, die zu Fortschritten bei der Organregeneration führen könnten

Shenzhen, 22. März 2022: Wissenschaftler von BGI-Research, der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und einer Gruppe von Partnern haben eine Studie in der Zeitschrift Nature veröffentlicht, in der sie die Entwicklung einer transgenfreien, schnellen und kontrollierbaren Methode zur Umwandlung von pluripotenten Stammzellen in echte totipotente 8-Zeller ankündigen, die denen von Embryonen ähneln und damit den Weg für weitere Fortschritte in der Organregeneration und synthetischen Biologie ebnen.

Die BGI-Forscher nutzten gemeinsam mit einem internationalen Team von Wissenschaftlern aus China, Bangladesch und Großbritannien die fortschrittlichen Einzelzell-Sequenzierungstechnologien von BGI, um pluripotente Stammzellen, d. h. eine „erwachsene“ Version früher embryonaler Zellen, in eine „jüngere“ Version von Zellen umzuwandeln, die die zygotische Genomaktivierung beim Menschen erfassen und alle Abstammungslinien mit Entwicklungspotenzial beibehalten. 

Solche Zellen könnten in Zukunft in der regenerativen Medizin eingesetzt werden, um kranke menschliche Organe zu regenerieren und die weltweite Abhängigkeit von Organspenden zu verringern. Sie können auch zur Erzeugung künstlicher Blastozysten bzw. Blastoide verwendet werden. Darüber hinaus werden sie zur Erforschung der menschlichen Embryonalentwicklung beitragen und dabei helfen, frühe entwicklungsbedingte Krankheiten zu behandeln sowie Schwangerschaftsverlust zu verhindern.

Zwar war es schon länger möglich, in der Blastozyste pluripotente Stammzellen in Zellen zu verwandeln, die denen der inneren Zellmasse ähneln, doch mit dieser Studie haben die Forscher zum ersten Mal Methoden entwickelt, um pluripotente Stammzellen in ein tatsächliches früheres Stadium des menschlichen Entwicklungszyklus zu überführen, das dem des Embryos im 8-Zell-Stadium entspricht. Dies wird zu einem besseren Verständnis der frühen menschlichen Embryonalentwicklung beitragen. Das Entscheidende dabei: Die Forscher konnten zum ersten Mal nachweisen, dass die umgewandelten Zellen in vivo Plazentazellen bilden können.

„Totipotente embryoähnliche Zellen im 8-Zell-Stadium stellen nach nur 3 Teilungen den embryonalen Zustand einer befruchteten Eizelle wieder her. Im Vergleich zu den bisher bekannten pluripotenten Stammzellen können sich diese Zellen nicht nur zu Plazentagewebe weiterentwickeln, sondern auch zu höher entwickelten Organen. Das ist eine gute Nachricht für Millionen von Patienten auf der ganzen Welt, die eine Organtransplantation benötigen“, so die korrespondierenden Autoren der Studie, Professor Miguel A. Esteban, Dr. Md. Abdul Mazid und Dr. Li Wenjuan von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.

„Dieser Durchbruch ist auch ein perfektes Beispiel für die Kombination von regenerativer Medizin und der Technologie der Einzelzellsequenzierung“, so Dr. Liu Longqi von BGI-Research, ebenfalls korrespondierender Autor der Studie. „Durch die Erstellung von Einzelzell-Multi-omics-Profilen in großem Maßstab wird die effiziente und präzise Identifizierung von Zellen bzw. Geweben, die in vitro oder in vivo durch Stammzelltechnologien gewonnen wurden, die Forschung im Bereich der regenerativen Medizin erheblich beschleunigen.“

Zellen in diesem frühen Entwicklungsstadium können als ‚totipotent‘ bezeichnet werden. Das bedeutet, dass sie das Potenzial haben, jegliche Art von frühen embryonalen Zellen zu bilden, aus denen wiederum die für die Entwicklung notwendigen Gewebe und Organe entstehen. Die Forschung baut auf früheren Arbeiten mit pluripotenten Stammzellen im Blastozystenstadium auf – also einem Stadium, in dem die Zellen das Potenzial haben, eine begrenztere Anzahl verschiedener Zellen und Gewebe zu bilden.

Bahnbrechend für die Studie waren die Fortschritte in der Einzelzell-Sequenzierungstechnologie, bei der die BGI Group weltweit führend ist. BGI bietet eine Kombination aus einer Plattform für Einzelzell-Sequenzierung und einer Sequenzierungstechnologie, die eine umfassende und multidimensionale Einzelzellanalyse mit hoher Sensitivität und Genauigkeit bei geringen Kosten ermöglicht. 

Das internationale Forschungsteam nutzte pluripotente Stammzellen und behandelte sie mit einem chemischen Cocktail, um Zellen zu erzeugen, die einem Embryo im 8-Zell-Stadium ähneln. Neben anderen Experimenten wurden diese Zellen sortiert und zur weiteren Entwicklung in eine Maus injiziert. Anschließend wurden sie mit der Einzelzell-Genomanalyse von BGI analysiert. Diese innovative Technologie half den Wissenschaftlern dabei, diejenigen Zellen zu identifizieren und zu isolieren, die denen eines Embryos im 8-Zell-Stadium ähneln sowie ihre „Totipotenz“ nachzuweisen, d. h. ihre Fähigkeit, Zellen zu erzeugen, die an der Bildung der Plazenta in vivo beteiligt sind. 

Die von den Forschern erzielten Fortschritte könnten eines Tages die individuelle Regeneration von Organen Wirklichkeit werden lassen. Normalerweise bleibt denjenigen, die eine Organtransplantation benötigen, nur die Möglichkeit, einen passenden Spender zu finden. Dies ist jedoch mit Risiken behaftet. Transplantationen können fehlschlagen, wenn sich der Serotyp des Spenders zu sehr von dem des Empfängers unterscheidet. Ein separates Verfahren zur Anpassung von Tierorganen für die Transplantation auf den Menschen durch Gen-Editing steckt ebenfalls noch in den Kinderschuhen.

Darüber hinaus bietet diese Errungenschaft ein neues In-vitro-System für die Grundlagenforschung über die frühe Embryonalentwicklung, trägt zum Verständnis des Zusammenhangs zwischen der frühen Embryonalentwicklung und dem Auftreten von Krankheiten bei und dient als Mittel für die Untersuchung und Behandlung von Geburtsfehlern und diversen Entwicklungskrankheiten.

An der Studie, die in Nature unter dem Titel „Rolling back of human pluripotent stem cells  to an 8-cell embryo-like stage“ veröffentlicht wurde, waren unter anderem die Guangzhou Institutes of Biomedicine and Health der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, BGI-Research, die Universität Cambridge, die Jilin-Universität in Changqun und die Universität von Rajshahi in Bangladesch beteiligt. Die Studie wurde vor ihrer Durchführung aus ethischer Sicht genehmigt.

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Über die BGI Group

Als Pionier auf dem Gebiet der Biowissenschaften ist die BGI Group eines der weltweit führenden Biotechnologieunternehmen in den Bereichen Forschung, Produktion und Anwendungen mit Partnern in mehr als 100 Ländern und Regionen. Die Arbeit der BGI Group umfasst bahnbrechende wissenschaftliche Entwicklungen, innovative Forschung in den Bereichen Mikrobiologie und Biodiversität, diagnostische Tests zur Erkennung von Viren und Krankheiten sowie die Entwicklung von Technologien der nächsten Generation für Gensequenzierung in großem Maßstab. Laut dem Nature Index 2021 belegte BGI unter den Unternehmen, die hochwertige Forschungsarbeiten in den Biowissenschaften veröffentlichen, Platz 1 im asiatisch-pazifischen Raum und Platz 10 weltweit.