Der künstlichen Nashorn-Eizelle ein Stück näher

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.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Sebastian Diecke
Technologie-Plattform „Pluripotente Stammzellen“
Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft (MDC)
sebastian.diecke@mdc-berlin.de

Prof. Dr. Thomas Hildebrandt
Abteilung für Reproduktionsmanagement
Leibniz-Institut für Zoo- und Wildtierforschung (Leibniz-IZW)
hildebrandt@izw-berlin.de

Originalpublikation:

Vera Zywitza et al (2022): Naïve like pluripotency to pave the way for saving the northern white rhinoceros from extinction, in: Scientific Reports, DOI: 10.1038/s41598-022-07059-w

Weitere Informationen:

Aktuelle Pressemitteilung mit Bildern zum Download: https://www.mdc-berlin.de/de/news/press/der-kuenstlichen-nashorn-eizelle-ein-stu…

https://www.mdc-berlin.de/de/news/news/breitmaulnashorn-retten-aussterben-retten – Die Letzten ihrer Art

https://www.mdc-berlin.de/de/news/news/nashoerner-aus-hautzellen – PM des MDC: Nashörner aus Hautzellen