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Dieser Vortrag basiert auf einer kürzlich erschienenen Übersichtsarbeit.

Die zunehmende weltweite Belastung durch Diabetes ist bekannt, und die Auswirkungen auf die Kosten des Gesundheitswesens und das menschliche Leid, die Morbidität und die Sterblichkeit werden vor allem in den Entwicklungsländern wie Indien, China und den Ländern Afrikas zu spüren sein. Neue Medikamente werden in rasantem Tempo entwickelt, und in den letzten Jahren wurden mehrere neue Wirkstoffklassen für die Behandlung von Diabetes entwickelt, z. B. GLP-1-Mimetika, Dipeptidyl-Peptidase-4-Hemmer (DPP-4) und Natrium-Glukose-Transporter-2-Hemmer (SGLT2). Auch neue chirurgische Behandlungen sind zunehmend verfügbar und werden als wirksame Therapien für Diabetes empfohlen. In den letzten Jahren wurden die Magenbeschränkungsoperation, die Magenbypassoperation, die gleichzeitige Pankreas-Nieren-Transplantation sowie die Pankreas- und Inseltransplantation eingeführt. Um das Trauma einer großen Operation zu vermeiden, wurden zahlreiche Studien über die Transplantation von isolierten Inseln durchgeführt, die aus einer leblosen Bauchspeicheldrüse entnommen wurden. Das „Edmonton-Protokoll“, das Shapiro und Kollegen im Jahr 2000 im New England Journal beschrieben haben, war ermutigend. Die Inselchen wurden in die Pfortader injiziert, und die Patienten, insbesondere diejenigen, die an einer gefährlichen Hypoglykämie litten, konnten behandelt werden, bevor sie schwere Komplikationen des Diabetes, insbesondere Nierenkomplikationen, entwickelten. Während die ersten Ergebnisse vielversprechend waren und etwa 70 % der Patienten nach zwei Jahren keine Insulininjektionen benötigten, hatte sich der Zustand der meisten dieser Patienten nach fünf Jahren verschlechtert und sie benötigten Insulinergänzungen, obwohl einige von ihnen mehr als eine Inseltransplantation erhalten hatten. In neueren Patientenserien hat die Edmonton-Gruppe bessere Langzeitergebnisse mit der Verwendung des monoklonalen Anti-Lymphozyten-Antikörpers Campath 1H berichtet, der als Induktionsmittel verabreicht wurde. 45 % der Patienten waren nach fünf Jahren insulinunabhängig, und bei 75 % war C-Peptid nachweisbar.

Allerdings konkurrieren kadavarisches Pankreas und Inseln um dieselbe Quelle und sind in ihrer Anzahl begrenzt, so dass keine der beiden Behandlungen der großen Mehrheit der Diabetespatienten ohne weiteres angeboten werden kann. Einige haben versucht, eine alternative Quelle zu verwenden, z. B. eingekapselte Inseln von neugeborenen oder erwachsenen Schweinen. Dies ist noch sehr experimentell und eine weit entfernte Alternative mit vielen technischen und möglicherweise ethischen Hindernissen, die es zu überwinden gilt.

In jüngster Zeit, mit den Erfolgen bei der Entwicklung pluripotenter adulter Stammzellen (von Yamanaka, der 2012 den Nobelpreis für Medizin für die Entwicklung induzierter pluripotenter Stammzellen – iPSCs – erhielt), wurden neue Ansätze versucht, um eine Methode zu finden, die möglicherweise leichter zugänglich und verfügbar ist. Viel Hoffnung wurde zunächst von der Forschung mit embryonalen Stammzellen (ESC) geschöpft, da diese Zellen dazu gebracht werden können, sich zu vermehren und sich in jedes beliebige Gewebe zu entwickeln, aber der Prozess war teuer, und das Problem der Teratombildung aus diesen Stammzellen erwies sich als äußerst schwierig zu überwinden. Viele wichtige Faktoren im Zusammenhang mit der fötalen Entwicklung sind nicht bekannt und können nicht reproduziert werden. Es wurden jedoch einige Fortschritte erzielt, und (gelegentlich) wurden Zellen dazu gebracht, Insulin abzusondern, aber bisher gab es nur sehr wenige therapeutische Anwendungen.

Wissenschaftler sind sich nun bewusst, dass die Überredung einer Zelle, Insulin zu produzieren, nur ein Schritt auf einem möglicherweise langen und schwierigen Weg ist. Inselzellen sind hochspezialisiert, um nicht nur eine Grundausschüttung von Insulin vorzunehmen, sondern auch schnell auf Veränderungen der Blutzuckerkonzentration zu reagieren. Bei Insulin ist der Prozess und die Regulierung des Abschaltens der Sekretion ebenso wichtig wie das Einschalten der Sekretion.

Es gibt eine Reihe von Ansätzen mit unterschiedlichen Ausgangspunkten. Die Stammzelle vermehrt sich selbst und kann sich dann auch asymmetrisch teilen und einen anderen Zelltyp bilden: Dies wird als Differenzierung bezeichnet. Ursprünglich glaubte man, dass sie nur aus Embryonen gewonnen werden können, doch inzwischen lassen sich nicht-embryonale Stammzellen ohne große Schwierigkeiten aus dem Gewebe von Neugeborenen, aus der Nabelschnur und auch aus einer Reihe von Erwachsenengeweben wie Knochenmark, Haut und Fett gewinnen. Diese Stammzellen können expandiert und zur Differenzierung gebracht werden, aber ihr Repertoire ist im Vergleich zu embryonalen Stammzellen eingeschränkt: oligo- oder pluri- im Gegensatz zu toti-potenten embryonalen Stammzellen. In jüngster Zeit hat der Prozess der direkten Zelltransdifferenzierung, bei dem eine fest ausdifferenzierte Zelle, z. B. eine Leberzelle, direkt in einen anderen Zelltyp, z. B. eine Insel-Beta-Zelle, umgewandelt wird, ohne dass eine Entdifferenzierung zurück in ein Stammzellstadium induziert wird, großes Interesse geweckt.

Yamanaka gelang es 2006, aus neonatalen und adulten Fibroblastenkulturen von Mäusen durch Zugabe eines Cocktails aus vier definierten Faktoren pluripotente Stammzellen herzustellen. Dies führte zu einer Reihe weiterer Studien, in denen das Verfahren entwickelt wurde, das sich sowohl mit menschlichem Gewebe als auch mit Labormäusen wiederholen ließ. Durch die Verwendung von iPS-Zellen konnten die ethischen Zwänge der Verwendung menschlicher Embryonen umgangen werden, aber es gab auch noch andere Probleme und Hindernisse. Es gibt neue Berichte darüber, dass iPS-Zellen für einen autologen oder isologen Wirt antigen werden, und die Zellen können DNA-Anomalien akkumulieren und sogar ein epigenetisches Gedächtnis des ursprünglichen Zelltyps bewahren, so dass sie dazu neigen, sich zurückzuentwickeln. Wie embryonale Stammzellen können auch iPS-Zellen Teratome bilden, insbesondere wenn die Differenzierung nicht vollständig ist.

Trotz dessen ist es bisher nur sehr wenig gelungen, die Differenzierung von iPSCs so zu steuern, dass sie Insel-Beta-Zellen in ausreichender Menge bilden, die als Reaktion auf Veränderungen des Blutzuckerspiegels sezernieren und die Sekretion stoppen.

Ein weiterer Ansatz, der versucht wurde, ist die Kombination von Gentherapie und Stammzellen. Es wurden einige Fortschritte bei dem Versuch erzielt, das gewünschte Insulin-Gen in primitiveren, undifferenzierten Zellen zu exprimieren, indem Stammzellen in vitro mit Differenzierungsfaktoren überredet wurden und dann eine direkte Gentransfektion mit Plasmiden oder einem viralen Vektor durchgeführt wurde. Wir und andere haben ein menschliches Insulin-Genkonstrukt verwendet und ex vivo oder in vivo in Zellen durch direkte Elektroporation (natürlich in ex vivo Zellen) oder durch virale Vektoren eingeführt. Das Adenovirus, das Adeno-assoziierte Virus und verschiedene Retroviren sind am meisten untersucht worden, insbesondere das Lentivirus. Bei jeder Art von Gentechnik ist jedoch nicht nur eine Infektion durch das Virus zu befürchten, sondern auch die Freisetzung von Onko-Genen, die zu bösartigen Erkrankungen führen können, und es gibt strenge Vorschriften für die Vorgehensweise, um diese Risiken zu vermeiden.

Wir haben uns für Nabelschnurstammzellen und mesenchymale Stammzellen als Ziele für eine kombinierte Stammzell- und Gentherapie interessiert. Diese Zellen können auf relativ einfache und reproduzierbare Weise aus ansonsten weggeworfener Nabelschnur oder leicht zugänglichem Knochenmark gewonnen werden, indem die Zellen mit verschiedenen Standardtechniken selektiert werden. Fett, Amnion und Nabelschnurblut sind ebenfalls Quellen, aus denen mesnechymale Stammzellen gewonnen werden können. Nach einer Proliferationsphase nehmen die Zellen ein Aussehen an, das einem Teppich von Fibroblasten ähnelt, die sich in Knochen-, Knorpel- oder Fettzellen differenzieren können. Obwohl mesenchymale Stammzellen aus den verschiedenen genannten Quellen ähnlich aussehen mögen, sind ihre Differenzierungspotenziale idiosynkratisch und unterschiedlich, so dass es unangemessen und schwierig ist, sie als einheitliche Quelle von Zielzellen zu betrachten. Neonatale Amnionzellen und Nabelschnurzellen haben eine geringe Immunogenität und exprimieren keine HLA-Klasse-II-Antigene. Außerdem sezernieren sie Faktoren, die Immunreaktionen hemmen, z. B. lösliches HLA-G. Obwohl die Immunogenität deutlich reduziert ist, sind sie immer noch nicht autolog, so dass das Risiko einer Abstoßung des Transplantats bestehen bleibt. Sie haben den Vorteil, dass sie in großer Zahl vervielfältigt, eingefroren und in Banken gelagert werden können und bei Patienten eingesetzt werden könnten, die bereits Immunsuppressiva benötigen, z. B. bei Nierentransplantationen.

In Singapur haben unsere Studien mit Amnionzellen aus der Nabelschnur einen gewissen Erfolg bei der Expression von Insulin- und Glucagon-Genen gezeigt, aber nur eine geringe oder gar keine Sekretion von Insulin in vitro. Zusammen mit der Insulin-Gentransfektion in vitro kam es nach der peritonealen Transplantation in sterptozotocin-induzierte diabetische Mäuse zu einer gewissen Verbesserung des Glukosespiegels. Unsere Kollegen in Singapur haben ein anderes Modell mit körpereigenen Hepatozyten von Streptozotocin-induzierten diabetischen Schweinen verwendet. Diese abgetrennten Hepatozyten wurden erfolgreich ex-vivo mit einem humanen Insulin-Genkonstrukt durch Elektrophorese transfiziert, und dann wurden die Zellen durch mehrere separate Injektionen direkt in das Leberparenchym zurückgespritzt. Die Schweine wurden bis zu neun Monate lang von ihrem Diabetes geheilt – eine bemerkenswerte Leistung. Da es sich um Autotransplantationen handelte, waren keine immunsuppressiven Medikamente erforderlich, sondern die Leberzellen wurden aus großen offenen chirurgischen Biopsien gewonnen. Die Notwendigkeit der chirurgischen Entnahme von Lebergewebe würde die Anwendbarkeit des Verfahrens einschränken, aber es war dennoch eine gute Proof-of-Concept-Studie. Im Zusammenhang mit Autoimmun-Diabetes kann das Risiko eines erneuten Auftretens der Krankheit durchaus bestehen bleiben, wenn das Ziel des Autoimmunangriffs nicht definiert und eliminiert werden kann. In diesen Schweineexperimenten wurde das humane Insulin-Gen mit dem glukosesensitiven Promotor EGR-1 verwendet. Es war kein Virus beteiligt, und das Plasmid integriert sich nicht. Die Teilung der transfizierten Zelle würde die Genaktivität abschwächen, aber das Plasmid kann kostengünstig in großen Mengen hergestellt werden. Dieselbe Arbeitsgruppe transfizierte erfolgreich mesenchymale Stammzellen aus dem Knochenmark mit dem menschlichen Insulin-Genplasmid, indem sie denselben EGR-1-Promotor und Elektrophorese verwendete. Dadurch wurden diabetische Mäuse nach direkter intra-hepatischer und intra-peritonealer Injektion geheilt.

Abschließend ist bei der Interpretation der Ergebnisse dieser und anderer Berichte über Zell- und Gentherapie bei Diabetes Vorsicht geboten. In gene transfection and/or transplantation of insulin-producing cells or clusters in the diabetic rodent, there have been many reports in the literature, but only a few of these claims have been reproduced in independent laboratories. We have suggested the need to satisfy „The Seven Pillars of Credibility“ as essential criteria in the evaluation of claims of success in the use of stem cell and/or gene therapy for diabetes.

1. Cure of hyperglycemia

2. Response to glucose tolerance test

3. Evidence of appropriate C-peptide secretion

4. Weight gain

5. Prompt return of diabetes when the transfecting gene and/or insulin producing cells are removed

6. No islet regeneration of stereptozotocin-treated animals and no re-generation of pancreas in pancreatectomized animals

7. Presence of insulin storage granules in the treated cells