Die meisten der menschlichen induzierten pluripotenten Stammzellen, die in großen Zell-Lagerstätten aufbewahrt und in der Forschung verwendet werden, weisen Tausende von DNA-Fehlern auf, so eine Studie, die den Bedarf an verbesserten Qualitätskontrollmaßnahmen unterstreicht.

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Die Stammzellenforschung, die pluripotente Stammzellen aus menschlichen Haut- oder Blutzellen verwendet, hat zu zahlreichen Entdeckungen geführt, die Entwicklung von Medikamenten unterstützt und sich bei Gentherapien als nützlich erwiesen. Viele dieser menschlichen induzierten pluripotenten Stammzelllinien (hiPSC), die in Depots gelagert oder in Labors entwickelt werden, weisen jedoch wahrscheinlich Tausende von unentdeckten Mutationen auf. Das lässt Zweifel an der Verallgemeinerung der mit ihnen gewonnenen Erkenntnisse aufkommen, so eine im August in Nature Genetics veröffentlichte Studie. Laut Serena Nik-Zainal, Mitautorin der Studie und medizinische Genetikerin am Cambridge Biomedical Research Campus, zeigt die Studie, dass das Niveau der Qualitätskontrolle in der Stammzellenforschung möglicherweise nicht den Anforderungen entspricht.

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Forscher stellen hiPSCs her, indem sie einer Person somatische Zellen - häufig aus der Haut - entnehmen und diese dann umprogrammieren, um sie in einen embryonalähnlichen Zustand zu versetzen. Nik-Zainal sagt, dass sie und ihre Kollegen schon vor Jahren auf das weit verbreitete Vorhandensein von Mutationen aufmerksam wurden, als sie feststellten, dass sich mehrere hiPSC, die von ein und demselben Patienten stammten, stark voneinander unterschieden. Schließlich fanden sie heraus, dass ultraviolette (UV-)Strahlung, die möglicherweise mit der Sonneneinstrahlung vor der Entnahme der Zellen zusammenhängt, bei den aus der Haut stammenden hiPSCs erhebliche DNA-Schäden verursachte, die mitunter Zehntausende von Mutationen auslösten. Dennoch waren die Zellen für die Verwendung durch große Lagerstätten freigegeben worden.

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"Diese 'normalen' Zelllinien haben so viele Mutationen wie [einige] Krebsarten", erklärt Nik-Zainal gegenüber The Scientist. "Das war ziemlich auffällig."

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In der neuen Studie, die laut Nik-Zainal vor mehr als zehn Jahren begann, führten sie und ihre Kollegen eine vollständige Genomsequenzierung an den Stammzelllinien durch, die in zwei großen Repositorien gelagert und Forschern zur Verfügung gestellt wurden: HipSci, eine der größten iPSC-Banken der Welt, und Insignia. Die Sequenzierung ergab, dass 72 Prozent der aus Hautzellen gewonnenen hiPSCs in der HipSci-Bank Anzeichen von Mutationen aufwiesen. Gleichzeitig wiesen 27 Prozent der bei Insignia gelagerten hiPSCs aus Blut und 18 Prozent der hiPSCs aus Blut in HipSci mehrere Mutationen im BCOR-Gen auf, das bei verschiedenen Krebsarten eine Rolle spielt.

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Weitere Analysen ergaben, dass Mutationen, insbesondere die BCOR-Mutationen in den aus Blut gewonnenen Linien, nach der Reprogrammierung auftreten können. D. h. sie stammen nicht von den menschlichen Spendern, sondern entstanden, als sich die Zellen im Labor replizierten - wahrscheinlich durch den Selektionsdruck, dem die Zellen beim Wachsen und Teilen in einer Schale ausgesetzt sind.

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"Es ist ein Problem, aber es ist lösbar", sagt Jeanne Loring, eine Stammzellenforscherin am Scripps Research Institute, die nicht an der Studie mitgearbeitet hat. "Es ist eine Aufforderung, die endlich immer häufiger kommuniziert wird: die Zellen, die man verwenden will, mit Hilfe von Genomanalysen zu analysieren.

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Gegenwärtig müssen Wissenschaftler, die diese hiPSCs für Forschungszwecke oder klinische Anwendungen verwenden, ihre Zelllinien - unabhängig davon, ob sie selbst entwickelt oder aus einem Repositorium entnommen wurden - nur in dem Maße untersuchen und charakterisieren, wie es von einer Zeitschrift oder den Gutachtern, die ihre Arbeit bewerten, verlangt wird. Um eine Zelllinie an einem Ort wie HipSci zu hinterlegen, müssen die Forscher lediglich nachweisen, dass die Stammzellen keine fehlenden oder doppelten Chromosomen oder andere großflächige genetische Fehler aufweisen - Analysen, die die unzähligen Einzel-Nukleotid-Mutationen übersehen würden, die in der neuen Arbeit identifiziert wurden.

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Stammzellen, die aus adulten somatischen Zellen gewonnen werden, "tragen die Mutationsgeschichte ihrer Vergangenheit sowie alle neuen Mutationen, die bei ihrer Reprogrammierung oder ihrem Wachstum in der Kultur auftreten", sagt Nik-Zainal.

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Sie und Loring weisen beide darauf hin, dass diese übersehenen Mutationen die Ergebnisse bereits veröffentlichter grundlegender oder klinischer Studien absolut ungültig machen könnten. Aber "es ist nicht so, dass man ein schlechter Wissenschaftler ist, wenn seine Zellen Mutationen aufweisen", sagt Loring. "Es gibt keine Möglichkeit, dies zu vermeiden", es sei denn, man hält die Zellen ganz von der Teilung ab, was aber nicht erwünscht ist", fügt sie hinzu.

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Eine Zelllinie kann Tausende von Mutationen beherbergen und trotzdem für die Forschung brauchbar sein, solange diese Mutationen in irrelevanten, nicht kodierenden Bereichen konzentriert sind oder wichtige Gene nicht treffen, sagt Nik-Zainal.

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Loring sagt, dass die Forscher als eine Art Stellvertreter für das Immunsystem fungieren müssen, indem sie die Zellen überwachen und diejenigen mit unerwünschten Mutationen aussondern. Andernfalls, so sagt sie, mutieren die Linien auf eine Weise, die ihr eigenes Überleben in der Kultur fördert, die aber möglicherweise nicht den wissenschaftlichen oder therapeutischen Zwecken des Forschers dient.

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Nik-Zainal sagt, dass ihre Arbeit Kritik von Forschern auf diesem Gebiet hervorgerufen hat, die sich darüber ärgern, dass sie möglicherweise die Sequenzierung des gesamten Genoms als neue Qualitätskontrollmaßnahme einführen müssen. Obwohl diese Art der Sequenzierung um eine Größenordnung billiger ist als noch vor zehn Jahren, ist sie nach wie vor technisch kompliziert und ohne spezielle Ausbildung nur schwer durchführbar. Sie deutet jedoch an, dass gründlichere Screenings alltäglicher werden könnten. "Der Tag, an dem wir in der Lage sein werden, jede einzelne Linie anhand der gesamten Genomsequenz zu untersuchen, ist gekommen", sagt sie gegenüber The Scientist. "Wir sind an einem Wendepunkt angelangt."

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Nik-Zainal sagt, dass sie ihre Ergebnisse bereits an die britische Plattform für regenerative Medizin geschickt hat, die unter anderem die Stammzellenforschung unterstützt, und dass diese für die von ihr identifizierten Probleme empfänglich war. Loring sagt, dass sie das Problem der hiPSC-Mutationen, das sie als "Evolution im Inkubator" bezeichnet, auf den jüngsten Konferenzen und Tagungen diskutiert hat.

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"Ich denke, dass [diese Studie] helfen wird", sagt Loring. "Ich denke, sie stärkt das Argument, dass diese Art von Analyse durchgeführt werden sollte.

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Loring betont, dass das Fachgebiet neue Standards annehmen sollte, unabhängig davon, ob sie von Fachzeitschriften, Stammzellbanken oder Aufsichtsbehörden vorgegeben werden - vor allem, wenn es um die Verwendung mutierter hiSPCs in der klinischen Forschung oder bei Gentherapien geht. Sie ist zuversichtlich, dass das Screening und die Charakterisierung von Zelllinien auf der Ebene des gesamten Genoms alltäglich werden, wenn mehr Forscher die notwendigen technischen Fähigkeiten erwerben und das Problem bekannter wird.

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Selbst wenn keine neuen Standards eingeführt werden, ist Nik-Zainal der Meinung, dass die Sequenzierung des gesamten Genoms für Forscher, die sicherstellen wollen, dass ihre Forschung gültig ist, notwendig sein könnte: "Wenn Ihr gesamtes Experiment davon abhängt, etwas in einer Zelllinie nachzuweisen, und Sie den Status Ihrer Zelllinie nicht berücksichtigen können, ist das wahrscheinlich nicht gut genug". Das gelte besonders für klinische Arbeiten, sagt sie. "Ich würde nicht wollen, dass mir Zellen mit einer schweren Mutation eingesetzt werden - ich würde es gerne wissen."