Auf dem Weg zur nächsten Stufe des Biobankings

Während die Artenvielfalt mit alarmierender Geschwindigkeit abnimmt, tragen Kryobanken zur Erhaltung der „Bibliothek des Lebens“ bei. Unsere umfassende Bio-Kryobank, die nicht nur Gewebe, sondern auch Gameten, Fibroblasten, induzierte pluripotente Stammzellen, embryonale Stammzellen und Embryonen umfasst, soll zu einem automatisierten, vollständig digitalisierten System ausgebaut werden.

Projektdetails
Laufzeit: 01/2013 – 12/2025
Drittmittelfinanziert: ja
Beteiligte Abteilung(en): Abt. Reproduktionsmanagement
Projektleitung im Leibniz-IZW: Thomas Hildebrandt (Abt. Reproduktionsmanagement)
Projektbeteiligte im Leibniz-IZW:

Frank Göritz, Robert Hermes, Susanne Holtze, Daniel Čižmár, Charlotte Okolo, Nadia Kirchler, Jette Ziep, Friederike Rauch (alle: Abt. Reproduktionsmanagement)

Konsortialpartner:

Dr. Sebastian Diecke, Core Facility Stem Cells, Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC), Berlin, Deutschland

Prof. Cesare Galli, AVANTEA Laboratory of Reproductive Technologies, Cremona, Italien

Prof. Katsuhiko Hayashi, Department of Stem Cell Biology and Medicine, Kyushu University, Japan

Prof. Dr. Johannes Schenkel, Vorsitzender der Gemeinschaft Deutscher Kryobanken e.V. (GDK), Cryopreservation Unit W430, Deutsches Krebsforschungszentrum (DKFZ) / Institut für Physiologie und Pathophysiologie, Universität Heidelberg

Prof. Dr. Michael Hummel, Zentrale Biobank der Charité, Koordinator des German Biobank Node (GBN), Charité Universitätsmedizin Berlin, Deutschland

Professor Dr. Jens K. Habermann, Direktor Interdisziplinäres Zentrum für Biobanking - Lübeck (ICB-L), Präsident des ESBB (European, Middle Eastern and African Society for Biopreservation and Biobanking), Universität zu Lübeck, Deutschland

Dr. Oliver Ryder, Frozen Zoo, San Diego Global, USA

Aktuelle Förderorganisation: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), Leibniz-Gemeinschaft (SAS-2016-2020-IZW-LFV; SAW-2018-DRFZ)
Forschungsschwerpunkte:
Verständnis von Merkmalen und evolutionären Anpassungen
Verbesserung der Lebensfähigkeit von Wildtierpopulationen
Entwicklung neuer Theorien, Methoden und Werkzeuge
Bildergalerie

 

Die derzeitige Aussterberate während des sechsten großen Artensterbens der Erde erfordert dringend neue Schutzstrategien. Neben der Bewahrung von Lebensraum und Arten in und ex situ ist die Erhaltung der derzeitigen „Bibliothek des Lebens“ eine Priorität. Die Kryokonservierung von Gameten, Embryonen, Geweben und spezifischen Zelllinien ist wichtig, um die biologische Vielfalt gefährdeter Arten zu bewahren.

Während die Mehrheit der bestehenden Kryobanken hauptsächlich darauf abzielt, genetische Information in Form hauptsächlich nicht lebender Materialien aufzubewahren, erweitern wir dieses klassische Konzept unter Verwendung verbesserter Kryokonservierungstechniken, zellulärer Methoden und modernster Stammzellentechnologien um lebende Proben. Basierend auf dem langfristigen Zugang zu Wildtierproben, welcher durch die Zoogemeinschaft, die Leibniz-IZW-Pathologie (Abteilung Wildtierkrankheiten) sowie durch zahlreiche Projekte in freier Wildbahn (z.B. Frozen Dumbo) gewährleistet ist, erweitern wir unsere ‚Bio-Kryobank‘ beständig um weiteres Material.

Dieses umfasst Gewebe, Fibroblastenkulturen, Gameten, embryonale Stammzellen (ESC), induzierte embryonale Stammzellen (iESC) sowie Embryonen zahlreicher Arten und ist eingebettet in ein Netzwerk verschiedener weiterer großer Sammlungen: den Frozen Zoo in San Diego, die Zentrale Biobank Charité, den German Biobank Node (GBN), die Cryopreservation Unit W430 des Deutschen Krebsforschungszentrums, das Interdisziplinäre Zentrum für Biobanking - Lübeck (ICB-L) und die European, Middle Eastern and African Society for Biopreservation and Biobanking (ESBB). Neben Unterstützung durch die Leibniz-Gemeinschaft (SAW) für Forschung am Nacktmull und der Gemeinschaft Deutscher Kryobanken (GDK) für das Biobanking-Projekt „Breitmaulnashorn“ erhalten wir finanzielle Unterstützung vom BMBF-geförderten Projekt BioRescue. Ein europäisches Alleinstellungsmerkmal unserer Biobank stellt neben einer großen Vielfalt an Säugetierzellen auch das umfangreiche Archiv von Fibroblastenkulturen verschiedener Vogel-, Reptilien- und Amphibienarten dar.

Ein möglicher Einsatz dieses wertvollen, lebenden Probenmaterials wäre z.B. die Untersuchung von Rezeptoren in Hinblick auf die Covid-19-Empfänglichkeit verschiedener Säugetierarten.

1) Gewebe - für Zellkultur, genetische Untersuchungen und die Grundlagenforschung

Kryokonservierte Gewebe können für die zukünftige Initiierung von Zellkulturen sowie für genetische und physiologische Forschung eingesetzt werden. Unter anderem unterhalten wir für die Grundlagenforschung eine umfangreiche Bibliothek mit ~1000 Proben verschiedener Nacktmull-Gewebe - sowohl aus Gefangenschaft als auch aus freier Wildbahn. Nacktmulle weisen ein einzigartiges Fortpflanzungssystem, eine außerordentliche Krebs- und Hypoxieresistenz sowie eine außergewöhnliche Langlebigkeit auf und sind daher ein interessantes Tiermodell zur Untersuchung evolutionärer Anpassungen des gesunden Alterns.

2) Fibroblastenkultur - zur Erzeugung von iPSC

Unsere Abteilung sammelt und verwaltet Fibroblastenzelllinien, welche von bisher insgesamt 118 Arten kultiviert wurden. Von diesen werden auf der roten Liste der IUCN (http://www.iucnredlist.org) 26 als gefährdet, 11 als bedroht und 14 als vom Aussterben bedroht (z. B. der Spix-Ara) eingestuft; 3 sind in freier Wildbahn ausgestorben (z. B. das nördliche Breitmaulnashorn). Mit Hilfe von Drittmitteln und zukünftigen Finanzierungsmöglichkeiten soll diese bestehende Bio-Kryobank durch in vitro generierte embryonale Stammzellen und induzierte pluripotente Stammzellen von Schlüsselarten wie Nashörnern, Elefanten und Wölfen erweitert werden. 2017 wurde die Israel-German Ark of Life (IGAL) initiiert, ein gemeinsames Projekt des Ramat Gan Safari Parks (Israel) und der Abteilung Reproduktionsmanagement. Hierbei werden Gewebe und Zellkulturen der jährlich ca. 4000 Patienten der Wildtierklinik des Zoos kryokonserviert; diese bietet Zugang zu einer großen Artenvielfalt, insbesondere zu vielen seltenen Zugvogelarten.

3) Gameten, Embryonen, ESC

Darüber hinaus sammelt und verwaltet unsere Abteilung seit den 1990er Jahren kryokonservierte Spermien von aktuell insgesamt 45 Arten. Der Wert solcher Samenbanken wurde durch die Verwendung von Elefanten- und Nashorn-Spermien in Programmen zur künstlichen Befruchtung (KB) und In-vitro-Fertilisation (IVF) bestätigt. Wissenschaftler der Abteilung Reproduktionsmanagement entwickeln neue Methoden der assistierten Reproduktionstechnologien (ART), um die Kryokonservierung von Gameten, Fortpflanzungsgeweben und Embryonen für eine Vielzahl von Arten zu verbessern und In-vitro- und In-vivo-Fertilisations- und Embryotransfertechniken zu verfeinern. Das IZW ist führend in der Entwicklung von auf spezifische Arten zugeschnittenen Techniken zur assistierten Reproduktion. Dies wird unter anderem durch mehrere Patente (künstliche Befruchtung von Elefanten, Eizellenentnahme bei Nashörnern) und durch den Erfolg der Pandabesamung im Berliner Zoo und der Forschungsstation in Chengdu, China ersichtlich.

Im nächsten Schritt ist geplant - mit Hilfe zukünftiger Finanzierungsmöglichkeiten, um die notwendigen Investitionen zu ermöglichen – diese umfassende Bio-Kryobank auf ein automatisiertes, und vollständig digitalisiertes System umzustellen. Ein zweites Zellkulturlabor wird ab Frühjahr 2021 für spezielle Aufgaben wie u.a. für die Kultur von Amphibienzelllinien zur Verfügung stehen. Die Errichtung eines IZW-Neubaus für "Zellbiologie" soll 2022 beginnen und bis 2025 abgeschlossen sein.

Ausgewählte Publikationen

  • Hildebrandt TB, Hermes R, Goeritz F, Appeltant R, Colleoni S, de Mori B, Diecke S, Drukker M, Galli C, Hayashi K, Lazzari G, Loi P, Payne J, Renfree M, Seet S, Stejskal J, Swegen A, Williams SA, Zainuddin ZZ, Holtze S.  (2021). The ART of bringing extinction to a freeze - History and future of species conservation, exemplified by rhinos. Theriogenology. 169:76-88. doi: 10.1016/j.theriogenology.2021.04.006. Epub 2021 Apr 18. PMID: 33940218.

  • Del Marmol D, Holtze S, Kichler N, Sahm A, Bihin B, Bourguignon V, Dogné S, Szafranski K, Hildebrandt TB, Flamion B. (2021). Abundance and size of hyaluronan in naked mole-rat tissues and plasma. Sci Rep. 11:7951. doi: 10.1038/s41598-021-86967-9.

  • Hayashi K, Cesare G, Diecke S, Hildebrandt TB (2021): Artificially produced gametes in mice, humans and other species. REPROD FERTIL DEV 33, 91–101. doi:10.1071/RD20265

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  • Adwan Shekhidem H, Sharvit L, Leman E, Manov I, Roichman A, Holtze S, M Huffman D, Y Cohen H, Hildebrandt TB, Shams I, Atzmon G (2019). Telomeres and Longevity: A Cause or an Effect? International journal of molecular sciences. 20(13):3233. doi: 10.3390/ijms20133233.
  • Heinze I, Bens M, Calzia E, Holtze S, Dakhovnik O, Vyssokikh M, Sahm A, Kirkpatrick JM, Szafranski K, Romanov N, Singer S, Ermolaeva M, Platzer M, Hildebrandt TB, Ori A (2018). Species comparison of liver proteomes reveals links to naked mole-rat longevity and human aging. BMC Biol. 16:82. doi: 10.1186/s12915-018-0547-y.
  • Bens M, Szafranski K, Holtze S, Sahm A, Groth M, Kestler HA, Hildebrandt TB, Platzer M (2018). Naked mole-rat transcriptome signatures of socially-suppressed sexual maturation and links of reproduction to aging. BMC Biol. 16:77. doi: 10.1186/s12915-018-0546-z.
  • Hildebrandt TB, Hermes R, Colleoni S, Diecke S, Holtze S, Renfree MB, Stejskal J, Hayashi K, Drukker M, Loi P, Göritz F, Lazzari G, Galli C (2018): Embryos and embryonic stem cells from the white rhinoceros. NAT COMMUN 9, 2589. doi:10.1038/s41467-018-04959-2.
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  • Sahm A, Bens M, Szafranski K, Holtze S, Groth M, Görlach M, Calkhoven C, Müller C, Schwab M, Kestler HA, Cellerino A, Burda H, Hildebrandt TB, Dammann P, Platzer M (2018). Long-lived rodents reveal signatures of positive selection in genes associated with lifespan. PLoS genetics 14.3: e1007272.
  • Debebe T, Biagi E, Soverini M, Holtze SHildebrandt TB, Birkemeyer C, Wyohannis D, Lemma A, Brigidi P, Savkovic V, König B, Candela M, Birkenmeier G (2017). Unraveling the gut microbiome of the long-lived naked mole-rat. Sci Rep. 7:9590. doi: 10.1038/s41598-017-10287-0.
  • Saragusty J, Diecke S, Drukker M, Durrant B, Ben-Nun I, Galli C, Göritz F, Hayashi K, Hermes R, Holtze S, Johnson S, Lazzari G, Loi P, Loring JF, Okita K, Renfree MB, Seet S, Voracek T, Stejskal J, Ryder OA, Hildebrandt TB (2016): Rewinding the process of mammalian extinction. ZOO BIOL 35, 280-292. doi:10.1002/zoo.21284.
  • Saragusty J, Osmers J-H, Hildebrandt TB (2016): Controlled ice nucleation - is it really needed for large-volume sperm cryopreservation? THERIOGENOLOGY 85, 1328-1333. doi:10.1016/j.theriogenology.2015.12.019.
  • Arav A, Saragusty J (2016): Directional freezing of sperm and associated derived technologies. ANIM REPROD SCI 169, 6-13. doi:10.1016/j.anireprosci.2016.02.007.
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  • Arav A, Saragusty J (2014): Directional freezing of spermatozoa and embryos. REPROD FERTIL DEV 26, 83-90. doi:10.1071/Rd13295.
  • Hermes RHildebrandt TBGöritz F, Fasel NJ, Holtze S (2019). First cryopreservation of phyllostomid bat sperm. Theriogenology. 131:28-31. doi: 10.1016/j.theriogenology.2019.03.014. Epub 2019 Mar 19. PMID: 30933687
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  • Adwan Shekhidem H, Sharvit L, Leman E, Manov I, Roichman A, Holtze S, M Huffman D, Y Cohen H, Hildebrandt TB, Shams I, Atzmon G (2019). Telomeres and Longevity: A Cause or an Effect? International journal of molecular sciences. 20(13):3233. doi: 10.3390/ijms20133233.
  • Heinze I, Bens M, Calzia E, Holtze S, Dakhovnik O, Vyssokikh M, Sahm A, Kirkpatrick JM, Szafranski K, Romanov N, Singer S, Ermolaeva M, Platzer M, Hildebrandt TB, Ori A (2018). Species comparison of liver proteomes reveals links to naked mole-rat longevity and human aging. BMC Biol. 16:82. doi: 10.1186/s12915-018-0547-y.
  • Bens M, Szafranski K, Holtze S, Sahm A, Groth M, Kestler HA, Hildebrandt TB, Platzer M (2018). Naked mole-rat transcriptome signatures of socially-suppressed sexual maturation and links of reproduction to aging. BMC Biol. 16:77. doi: 10.1186/s12915-018-0546-z.
  • Hildebrandt TB, Hermes R, Colleoni S, Diecke S, Holtze S, Renfree MB, Stejskal J, Hayashi K, Drukker M, Loi P, Göritz F, Lazzari G, Galli C (2018): Embryos and embryonic stem cells from the white rhinoceros. NAT COMMUN 9, 2589. doi:10.1038/s41467-018-04959-2.
  • Hermes R, Hildebrandt TB, Göritz F (2018): Cryopreservation in rhinoceros - setting a new benchmark for sperm cryosurvival. PLOS ONE 13, e0200154. doi:10.1371/journal.pone.0200154.
  • Sahm A, Bens M, Szafranski K, Holtze S, Groth M, Görlach M, Calkhoven C, Müller C, Schwab M, Kestler HA, Cellerino A, Burda H, Hildebrandt TB, Dammann P, Platzer M (2018). Long-lived rodents reveal signatures of positive selection in genes associated with lifespan. PLoS genetics 14.3: e1007272.
  • Debebe T, Biagi E, Soverini M, Holtze SHildebrandt TB, Birkemeyer C, Wyohannis D, Lemma A, Brigidi P, Savkovic V, König B, Candela M, Birkenmeier G (2017). Unraveling the gut microbiome of the long-lived naked mole-rat. Sci Rep. 7:9590. doi: 10.1038/s41598-017-10287-0.
  • Saragusty J, Diecke S, Drukker M, Durrant B, Ben-Nun I, Galli C, Göritz F, Hayashi K, Hermes R, Holtze S, Johnson S, Lazzari G, Loi P, Loring JF, Okita K, Renfree MB, Seet S, Voracek T, Stejskal J, Ryder OA, Hildebrandt TB (2016): Rewinding the process of mammalian extinction. ZOO BIOL 35, 280-292. doi:10.1002/zoo.21284.
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