Marker in der iPSC-Qualitätskontrolle

– ein neuer Ansatz zur Verbesserung der Standardisierung.

Wissenschaftler des IUF – Leibniz-Instituts für umweltmedizinische Forschung in Düsseldorf haben kürzlich eine Studie zum Thema „Neubewertung von Markergenen in humanen induzierten pluripotenten Stammzellen für eine verbesserte Qualitätskontrolle“ in Nature Communications veröffentlicht. Die Arbeit wurde gemeinsam mit Kollegen des Max-Delbrück-Centrums für Molekulare Medizin (MDC) in Berlin und des Universitätsklinikums Düsseldorf durchgeführt.

Humane induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) haben ein großes Potenzial für wissenschaftliche und medizinische Anwendungen. Sie werden in der Forschung zur Modellierung menschlicher Krankheiten verwendet und tragen so dazu bei, die zugrunde liegenden Krankheitsprozesse zu entschlüsseln und neue Therapien zu entwickeln. Darüber hinaus werden sie in klinischen Studien als Ansatz für regenerative Therapien bei Krankheiten wie Parkinson erprobt. Hierbei wird das Ziel verfolgt physiologische Funktionen wiederherzustellen und die Auswirkungen auf die Patientinnen und Patienten zu verbessern.

iPSCs können aus somatischen Zellen, z. B. aus der Haut oder dem Blut erwachsener Spender, gewonnen werden, indem diese Zellen mit Hilfe von Pluripotenzfaktoren umprogrammiert und in Zellen mit Eigenschaften embryonaler Stammzellen umgewandelt werden. Diese iPSCs können sich unbegrenzt vermehren und zu verschiedenen Gewebetypen entwickeln, was sie für die Forschung und potenziell auch für die personalisierte regenerative Medizin wertvoll macht. Gleichzeitig tragen sie dazu bei, die Anzahl verwendeter Versuchstiere in der Forschung zu reduzieren.

Qualitätskontrollen für iPSCs sind unerlässlich und sollen zukünftig immer besser standardisiert werden. Zu diesen Qualitätskontrollen gehören die Bewertung der Morphologie, der Integrität des nukleären und des mitochondrialen Genoms, sowie der Pluripotenz, d. h. der Fähigkeit zur Differenzierung in die drei primären Keimblätter Entoderm, Ektoderm und Mesoderm. Hier besteht ein dringender Bedarf an einfachen, schnellen, kostengünstigen und zuverlässigen Testmethoden. Das Labor von Dr. Andrea Rossi am IUF – Leibniz-Institut für umweltmedizinische Forschung hat in früheren Studien bereits die Integrität des mitochondrialen Genoms untersucht. In einer neuen, in Nature Communications veröffentlichten Untersuchung (Dobner et al., Nat Commun 2024) wird von diesen Wissenschaftlern nun ein neues Qualitätssicherungsverfahren zur Überprüfung der funktionellen Pluripotenz beschrieben.

Die Autoren nutzten die Long-Read-Nanopore-Transkriptomsequenzierung, und identifizierten so 172 Gene, die mit frühen iPSC-Entwicklungsstadien verbunden sind und von den derzeitigen Leitlinien nicht erfasst werden. Sie validierten 12 Gene durch qPCR (quantitative Polymerase-Kettenreaktion) als eindeutige Marker für bestimmte Zellstadien: undifferenzierte pluripotente iPSCs (CNMD, NANOG, SPP1), Entoderm (CER1, EOMES, GATA6), Mesoderm (APLNR, HAND1, HOXB7) und Ektoderm (HES5, PAMR1, PAX6). Auf der Grundlage dieser ausgewählten Gene entwickelten sie ein auf maschinellem Lernen basierendes Scoring-System namens „hiPSCore“. Dieser Score wurde an 15 iPSC-Linien trainiert und an 10 weiteren iPSC-Linien validiert. Der hiPSCore klassifiziert pluripotente und differenzierte Zellen zuverlässig und sagt ihr Potenzial voraus, sich zu spezialisierten 2D-Zellen und komplexen 3D-Organoiden weiter zu entwickeln.

„Wir sind immer bestrebt, die Methoden, die wir verwenden, zu verbessern“, erklärt Dr. Andrea Rossi, Arbeitsgruppenleiter am IUF, den Ansatz der Studie. „Wir planen, in den nächsten Jahren weitere Qualitätskontrollen für den standardisierten Einsatz von iPSCs zu entwickeln.“ Dr. Jochen Dobner, Erstautor der Studie, ergänzt: „Maschinelles Lernen ist ein attraktives Werkzeug, um Prozesse zu optimieren und zu automatisieren. Der von uns entwickelte hiPSCore verbessert die iPSC-Tests, indem er den Zeitaufwand, die Subjektivität und den Ressourceneinsatz reduziert und so die Qualität der iPSCs für wissenschaftliche und medizinische Anwendungen verbessert.“

Förderung
Das IUF wird aus Mitteln des Bundes und der Länder, des Ministeriums für Kultur und Wissenschaft des Landes Nordrhein-Westfalen (MKW) und des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Wir sind dankbar für die Unterstützung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) (RO5380/1-1, PR1527/6-1) und die AFM-Téléthon (AR-25179).

Über das IUF
Die zentrale Forschungsmission des IUF ist die zielgerichtete und personalisierte Prävention umweltinduzierter Alterung und assoziierter Krankheiten. Dafür untersucht das IUF, welche Rolle Umwelteinflüsse bei Erkrankungen spielen, welche Mechanismen dahinterstecken, wie diese ineinandergreifen, wer besonders betroffen ist und wie wir im Einzelnen den negativen Effekten von Umwelteinflüssen entgegenwirken können. Im Fokus der Arbeit stehen die Auswirkungen von Sonneneinstrahlung, Luftverschmutzung, ausgewählten Chemikalien und das Zusammenspiel mit Klimafaktoren – auf die Lunge, die Haut, das zentrale Nervensystem und das Immunsystem.

Weitere Informationen erhalten Sie unter: https://iuf-duesseldorf.de/
Das IUF gehört der Leibniz-Gemeinschaft an: https://www.leibniz-gemeinschaft.de/

Kontakt
Christiane Klasen, Referentin des Institutsdirektors
IUF – Leibniz-Institut für umweltmedizinische Forschung GmbH
Auf’m Hennekamp 50
40225 Düsseldorf
E-Mail: info@IUF-Duesseldorf.de
Telefon: 0211 3389 216

Originalpublikation:

Dobner J, Diecke S, Krutmann J, Prigione A, Rossi A: Reassessment of marker genes in human induced pluripotent stem cells for enhanced quality control. Nat Commun 15(1): 8547, 2024. Link: https://doi.org/10.1038/s41467-024-52922-1

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