Muskeln aus dem Labor

ETH-Professor Ori Bar-Nur und sein Team z¨¹chten im Labor Muskelzellen. In diesem Fall sind das solche von M?usen, doch sie interessieren sich auch f¨¹r menschliche Zellen oder solche von Rindern. Bei beiden locken vielversprechende Anwendungen: Im Labor kultiviertes menschliches Muskelgewebe k?nnte in der Chirurgie verwendet werden; und menschliche Muskel-Stammzellen k?nnten Menschen mit Muskelerkrankungen helfen. Rinder-Muskelgewebe aus dem Labor wiederum k?nnte die Fleischindustrie revolutionieren. Es erm?glicht die Produktion von Fleisch, ohne dass dazu ein Tier geschlachtet werden muss.

Vorerst geht es in der Forschung des ETH-Teams aber darum, die Erzeugung von Muskel-Stammzellen zu optimieren und sie sicherer zu machen. Das ist ihnen nun in einem neuen Ansatz auch gelungen.

Umprogrammierte Zellen

Wie auch andere Forschende auf dem Gebiet nutzen die ETH-Wissenschaftler:innen als Ausgangsmaterial f¨¹r die Muskelzellen einen anderen Zelltyp, der einfacher zu z¨¹chten ist: Bindegewebezellen. Mit einem Cocktail aus Wirkstoffen und Proteinen programmieren sie diese Zellen molekular um, so dass daraus Muskelzellen entstehen, die sich rasch vermehren und auch Muskelfasern bilden. ?Dieses Vorgehen erm?glicht uns, grosse Mengen Muskelzellen herzustellen?, erkl?rt Xhem Qabrati, Doktorand in Bar-Nurs Gruppe und einer der beiden Erstautoren dieser Studie. ?Zwar k?nnte man diese Zellen auch direkt aus Muskelbiopsien kultivieren, allerdings verlieren die Zellen dabei oft ihre Funktionst¨¹chtigkeit, und es ist daher schwierig, auf diese Weise grosse Mengen herzustellen.?

Ein wichtiger Bestandteil des verwendeten Cocktails und somit ein zentraler Ausl?ser der Zellumwandlung ist das Protein MyoD. Das ist ein sogenannter Transkriptionsfaktor, der im Zellkern die Aktivit?t von bestimmten Genen reguliert. In Bindegewebezellen ist normalerweise kein MyoD vorhanden. Damit Bindegewebezellen sich in Muskelzellen verwandeln k?nnen, m¨¹ssen Wissenschaftler:innen sie dazu bringen, w?hrend mehrerer Tage in ihrem Zellkern MyoD zu produzieren.

Ohne Gentechnik

Bisher nutzten Forschende f¨¹r diesen Vorgang die Gentechnik: Mit Viruspartikeln brachten sie die genetische Bauanleitung f¨¹r das Protein MyoD in den Zellkern. Die Viren f¨¹gen diese Bauanleitung ins Genom ein, worauf die Zellen mit der Herstellung des Proteins beginnen k?nnen. Doch dieser Ansatz birgt ein Sicherheitsrisiko: Wissenschaftler:innen k?nnen nicht steuern, wo genau im Genom die Viren diese Bauanleitung einf¨¹gen. Mitunter setzen die Viren die Anleitung mitten in ein lebenswichtiges Gen und besch?digen es damit. Oder der Einbau f¨¹hrt zu Ver?nderungen, die Krebs ausl?sen k?nnen.

Bar-Nur und seine Kolleg:innen nutzten nun einen anderen Ansatz, um MyoD in die Bindegewebezellen zu bringen. Sie liessen sich dabei von den Covid-mRNA-Impfstoffen inspirieren: Anstatt die DNA-Bauanleitung von MyoD mit Viren in die Zellen einzuschleusen, bringen sie die mRNA-Abschrift dieser Bauanleitung in die Zellen. Das Genom der Zellen bleibt dabei unver?ndert, weshalb auch damit verbundene negative Folgen ausbleiben. Dennoch sind die Bindegewebezellen dank der mRNA in der Lage, das Protein MyoD herzustellen, so dass sie sich zusammen mit den anderen Komponenten des von den ETH-Forschenden optimierten Cocktails in Muskelstammzellen und -fasern verwandeln k?nnen.

Die Wissenschaftler:innen haben diesen Ansatz j¨¹ngst in der Fachzeitschrift externe Seite NPJ Regenerative Medicine ver?ffentlicht. Vor ihnen ist es noch niemandem gelungen, Bindegewebezellen ohne die Verwendung von Gentechnik in Muskel-Stammzellen umzuprogrammieren.

Hilfe bei Muskelschwund

Die von den Forschenden hergestellten Muskelzellen sind auch voll funktionsf?hig, wie sie in Versuchen mit M?usen gezeigt haben, die an der Duchenne Muskeldystrophie litten. Bei Menschen ist das eine seltene Erbkrankheit. Bei Betroffenen fehlt ein f¨¹r die Muskelstabilit?t notwendiges Protein, und es kommt zu fortschreitendem Muskelschwund und L?hmungen.

Die ETH-Wissenschaftler:innen injizierten Muskel-Stammzellen ohne diesen Defekt in den Muskel von M?usen mit diesem Defekt. Sie konnten dabei zeigen, dass die gesunden Stammzellen im Muskel funktionst¨¹chtige Muskelfasern bilden. ?Eine solche Muskelstammzell-Transplantation k?nnte vor allem f¨¹r Duchenne-Patient:innen in einem fortgeschrittenen Stadium interessant sein, die schon stark von Muskelschwund betroffen sind?, erkl?rt Inseon Kim, ebenfalls eine Doktorandin in Bar-Nurs Gruppe und eine Erstautorin der Studie. Die Methode eigne sich, um gen¨¹gend grosse Mengen daf¨¹r ben?tigter Muskel-Stammzellen herzustellen. Zumal sie ohne Gentechnik und den damit verbundenen Risiken auskommt, was f¨¹r den therapeutischen Einsatz bei Menschen w¨¹nschenswert ist.

Alternatives Fleisch

Allerdings m¨¹ssen die Forschenden ihren Ansatz nun erst noch auf menschliche Zellen ¨¹bertragen. ?Ausserdem m?chten wir untersuchen, ob sich Bindegewebezellen direkt im K?rper in Muskelzellen verwandeln lassen, indem wir die MyoD-mRNA und die weiteren Cocktail-Komponenten M?usen injizieren, die von einer Muskelkrankheit betroffen sind?, sagt ETH-Professor Bar-Nur. Auch dies k?nnte dereinst vielleicht betroffenen Menschen helfen.

Schliesslich m?chten Bar-Nur und sein Team die neuen Erkenntnisse auch in ihre Arbeit mit Rinder-Zellen einfliessen lassen. Dies ist ein weiteres Standbein ihrer Forschung. Die Methode k?nnte auch die Kultivierung von tierischen Muskel-Stammzellen als alternative Herstellungsmethode f¨¹r Fleisch weiterbringen.