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Adulte Stammzellen - Hoffnungsträger für regenerative Therapien

Stammzellen dienen als Quelle für die Bildung sämtlicher Körperzellen. Neben den viel diskutierten embryonalen Stammzellen finden sich auch nach dem Embryonalstadium und selbst im Erwachsenenalter noch Stammzellen im menschlichen Körper, die die Fähigkeit zur Bildung neuer spezialisierter Zellen erhalten haben. Diese adulten Stammzellen sichern den Zell-Nachschub und ermöglichen so eine kontinuierliche Erneuerung absterbender Zellen. Die Fortschritte in der Charakterisierung, Isolierung und gezielten Differenzierung adulter Stammzellen in den letzten Jahren machen große Hoffnungen auf eine zukünftige Nutzung der Zellen zur Therapie degenerativer Erkrankungen. Doch auch in der Krebsbekämpfung könnten die Erkenntnisse über adulte Stammzellen zu neuen Therapien führen.

Unser Körper unterliegt ständigen Umbau- und Erneuerungs-Prozessen. Zur Kontrolle der Zellzahl im Körper, zur Beseitigung entarteter oder zu alter Zellen und zur Selektion von Immunzellen ist der kontrollierte Tod von körpereigenen Zellen nötig. Um diese Zellen zu ersetzen, aber auch für die Regeneration von verletztem Gewebe in Form von Wundheilung, verfügt der Körper über ein Reservoir an adulten Stammzellen. Diese sind für die Produktion neuer spezialisierter Zellen zuständig. Die adulten verfügen im Gegensatz zu embryonalen Stammzellen nur über ein begrenztes Selbsterneuerungs- und Differenzierungspotenzial und bringen gezielt bestimmte Gewebe- bzw. Zelltypen hervor. Beispielsweise erneuern Hautstammzellen nur die Haut, und aus neuralen Stammzellen entstehen nur Zellen des Nervensystems. Deshalb sind solche Stammzellreservoirs in den meisten Geweben und Organen vorhanden.

Adulte Stammzellen, die aus Fettgewebe isoliert und im Labor kultiviert wurden. © Med Cell Europe AG

Auch wenn die adulten Stammzellen nicht so vielseitig und teilungsfreudig sind wie ihre embryonalen Vorläufer, so leisten sie doch Erstaunliches. Hautstammzellen beispielsweise ersetzen kontinuierlich die sich abschilfernden Zellen der Oberhaut und erneuern so in etwa vier Wochen die Haut einmal komplett. Dieses Erneuerungspotenzial macht sie natürlich für die regenerative Medizin sehr interessant.

Adulte Stammzellen sind ethisch unbedenklich und können idealerweise sogar vom Patienten direkt gewonnen werden. Eine Vision liegt daher in der Nutzung körpereigener (autogener) Stammzellen zur Therapie degenerativer Erkrankungen, da diese Zellen keine Abstoßungsreaktion auslösen. Doch auch Therapieansätze mit allogenen, also von einem passenden Spender entnommenen, adulten Stammzellen sind vielversprechend.

Knochenmarkstammzellen als Vorbild

Bei Knochenmarkserkrankungen ist eine therapeutische Anwendung von adulten Stammzellen bereits Standard. Seit vielen Jahren werden am Heidelberger Myelomzentrum autogene Stammzelltransplantationen zur Behandlung des Multiplen Myeloms eingesetzt, einer Krebserkrankung des blutbildenden Knochenmarks. Diese Anwendung macht Hoffnung auf Therapiemöglichkeiten für viele andere, vor allem degenerative Erkrankungen. Die Forschung orientiert sich zunehmend in diese Richtung.

Mit dem Förderprogramm „Adulte Stammzellen 2009“ unterstützt die Baden-Württemberg Stiftung Grundlagenforschung mit dem Ziel der Entwicklung von zellbasierten, regenerativen Therapien. Im Folge-Förderprogramm wurde auch die Entwicklungsforschung für zielgerichtete Therapieansätze neu aufgenommen.

Durch intensive Forschungsanstrengungen gibt es inzwischen eine Vielzahl von Tiermodellen und auch klinischen Studien am Menschen. Beispielsweise wird der Einsatz von neuralen Stammzellen bei Krankheiten wie Parkinson oder Alzheimer untersucht. Bisher gibt es aber noch keine Zulassung für solche Anwendungen. Die Stammzelltransplantation kommt bisher nur bei schweren Erkrankungen des blutbildenden Systems zum Einsatz.

Im Labor können die aus Fettgewebe isolierten Stammzellen beispielsweise zu Knorpelzellen differenziert werden. So kann ein Stück Knorpelgewebe gezüchtet werden. © Med Cell Europe AG

Die hämatopoetischen, also blutbildenden Stammzellen stellen wohl das am besten verstandene Stammzellsystem dar. Sie befinden sich im Knochenmark der großen Knochen, also hauptsächlich in den Beckenschaufeln, im Oberschenkel und im Oberarm. Sie generieren kontinuierlich neue Blutzellen, indem sie in einer asymmetrischen Teilung einerseits eine neue Stammzelle bilden, die im Gewebe verbleibt, andererseits eine neue Vorläuferzelle, die teilungsfreudig ist und die benötigten neuen Blutzellen hervorbringt. Es gibt also eine klare Hierarchie von den Stammzellen über Vorläuferzellen hin zu den fertig ausdifferenzierten Blutzellen, die man auch bei anderen Stammzellsystemen vermutet.

Knochenmarkstammzellen sind auch aufgrund ihrer Häufigkeit und ihrer relativ leichten, wenn auch für den Patienten nicht schmerzlosen Gewinnung die Hoffnungsträger für viele Stammzelltherapiemöglichkeiten. Darüber hinaus scheinen sie noch über ein größeres Differenzierungspotenzial zu verfügen, da sie unter bestimmten Bedingungen im Labor nicht nur zu Blutzellen, sondern auch zu nervenähnlichen Zellen differenziert werden können.

Diese sogenannte Transdifferenzierung wird seit einigen Jahren intensiv erforscht, um die nötigen Bedingungen und das Potenzial der Zellen genau zu charakterisieren. Der Vorteil der Transdifferenzierung von Knochenmarkstammzellen zu Nervenzellen ist, dass erstere sehr viel häufiger sind als neurale Stammzellen und auch leichter isoliert werden können. Bei den meisten gewebespezifischen adulten Stammzellen stellt die Isolierung einer ausreichenden Anzahl von Zellen die Forscher vor große Probleme. Oft sind das Aussehen, der Aufbau, die Eigenschaften und auch die genaue Lokalisation der Zellen unbekannt.

Außer den hämatopoetischen Stammzellen können aber dank intensiver Grundlagenforschung inzwischen auch Stammzellen aus anderen Gewebetypen isoliert und im Labor kultiviert werden. Beispielsweise ist es bereits gelungen, Stammzellen aus Fettgewebe zu isolieren und in Kultur zu Insulin-produzierenden Zellen oder Knorpel-Zellen zu differenzieren (s. Artikel "Med Cell Europe AG").

Neue Hinweise auf Tumorstammzellen

Ein relativ neuer Bereich der Stammzell-Forschung beschäftigt sich mit dem in Fachkreisen noch teilweise umstrittenen Konzept der Tumorstammzellen. Es besagt, dass diese Krebszellen in Tumoren vorkommen und ebenfalls über Selbsterneuerungs- und Differenzierungspotenzial verfügen. Sie machen zwar nur einen kleinen Anteil aller Krebszellen aus, doch wird vermutet, dass sie für das Tumorwachstum und die Metastasenbildung sowie für die Resistenz gegen manche Therapien verantwortlich sind.

Inzwischen konnten einzelne Forscher klare Hinweise auf derartige Stammzellen finden und das Konzept so weiter untermauern. So ist es einem Team von Wissenschaftlern um Dr. Hanno Glimm vom Heidelberger Nationalen Centrum für Tumorerkrankungen und dem Deutschen Krebsforschungszentrum gelungen, im Tiermodell Darmkrebsstammzellen zu identifizieren, die Auslöser von Metastasenbildung sind (s. Artikel "Darmkrebs: Manche Tumorzellen sind gefährlicher als andere"). Ein Ziel der Forscher ist es nun, diese Zellen besser zu charakterisieren, um die Entwicklung neuer Krebstherapien zu ermöglichen, die gezielt die Tumorstammzellen angreifen und zerstören.

Körpereigene Alleskönner durch Reprogrammierung

Ein Durchbruch in der Stammzellforschung der letzten Jahre war sicherlich die Reprogrammierung von Körperzellen zu Stammzellen, für die John B. Gurdon und Shinya Yamanaka im Jahr 2012 mit dem Nobelpreis für Medizin ausgezeichnet wurden (s. Artikel "Nobelpreis für die Reprogrammierung von Zellen"). Durch die Integration von vier speziellen Genen konnten Bindegewebszellen in undifferenzierte Stammzellen zurückprogrammiert werden. Die sogenannten induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS) können dann wieder ähnlich wie embryonale Stammzellen zu spezialisierten Zellen ausdifferenziert werden. Sie stellen damit eine eigene Gruppe der Stammzellen dar, da sie zwar aus adulten Körperzellen gewonnen werden, aber keine adulten Stammzellen im natürlichen Sinn sind.

 

Glossar

  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Insulin ist ein Hormon, das in den ß-Zellen der Langerhans’schen Inseln der Bauchspeicheldrüse gebildet wird und die Senkung des Blutzuckerspiegels bewirkt. Zuckerkranken (Diabetikern) fehlt dieses Hormon.
  • Metastasen sind Zellen, die sich vom Primärtumor abgelöst haben und weiterwachsen. Diese Tochtergeschwulst kann weit entfernt vom Primärtumor und in völlig anderem Gewebe entstehen.
  • Unter Selektion im biologischen Sinn versteht man die Auslese von Organismen aufgrund ihrer Merkmale. Dies kann einerseits durch natürliche Selektionsmechanismen ("survival of the fittest") im Zuge der Evolution geschehen. Unter künstlicher Selektion versteht man andererseits die Auslese von Organismen durch den Menschen, z.B. in der Zucht. Auch in der Gentechnik wird künstliche Selektion angewandt, um einen gentechnisch veränderten Organismus anhand neu eingebrachter Eigenschaften (z. B. Antibiotikaresistenz) zu identifizieren.
  • Adulte Stammzellen sind Stammzellen des erwachsenen Körpers, die aus verschiedenen Geweben stammen. Sie können nur Zelltypen des Gewebes bilden, dem sie selbst entstammen. Adulte Stammzellen sind multipotent.
  • Embryonale Stammzellen sind Zellen, die aus dem frühen Blastozystenstadium von Embryonen, die durch künstliche Befruchtung entstehen, oder aus primordialen Keimzellen von fünf- bis neunwöchigen abgetriebenen Föten, gewonnen werden. Embryonale Stammzellen können in Gewebekultur praktisch unbegrenzt ohne Anzeichen des Zellalterns vermehrt werden und sind pluripotent, d. h. sie haben die Fähigkeit, sich zu vielen, möglicherweise allen der ungefähr 200 verschiedenen Zelltypen des Körpers zu differenzieren.
  • Neuron ist der Fachausdruck für Nervenzelle. Diese besteht aus einem Zellkörper, einem Axon und Dendriten.
  • Zellen, die fähig sind sich zu jedem anderen Zelltyp des Körpers zu differenzieren, werden als pluripotent bezeichnet. Anders als totipotente Zellen können sie aber keinen neuen Organismus bilden.
  • Stammzellen sind Zellen, die die Fähigkeit zur unbegrenzten Zellteilung besitzen und die sich zu verschiedenen Zelltypen ausdifferenzieren können. Stammzellen können aus Embryonen, fötalem Gewebe und aus dem Gewebe Erwachsener gewonnen werden. In Deutschland ist die Gewinnung embryonaler Stammzellen verboten.
  • Ein Tumor ist eine Gewebsschwellung durch abnormales Zellwachstum, die gutartig oder bösartig sein kann. Gutartige (benigne) Tumore sind örtlich begrenzt, während Zellen bösartiger (maligner) Tumore abgesiedelt werden können und in andere Gewebe eindringen können, wo sie Tochtergeschwulste (Metastasen) verursachen.
  • Die Hämatopoese ist der Vorgang der Neubildung und Reifung der Blutzellen. Sie findet im menschlichen Körper im roten Knochenmark statt, wo sich die hämatopoetischen Stammzellen befinden. Welche der unterschiedlichen Zellen des Blutes (Blutplättchen, weiße und rote Blutkörperchen) aus diesen Stammzellen gebildet werden, hängt davon ab, welchen Wachstumsfaktoren sie während der Reifung ausgesetzt sind.
  • Die Zelldifferenzierung bezeichnet die Spezialisierung von Zellen in Bezug auf ihre Funktion und ihre Struktur. So entstehen aus undifferenzierte Stammzellen verschiedene Zelltypen wie Herzmuskel-, Nerven- oder Leberzellen, die ganz unterschiedlich ausssehen und verschiedene Aufgaben erfüllen.
  • Unter Degeneration verstehet man in einem medizinisch-biologischen Sinn die Rückbildung und den Verfall von Zellen, Geweben oder Organen.
  • Die Alzheimer-Krankheit (auch Morbus Alzheimer genannt) ist eine langsam fortschreitende Demenz-Erkrankung, die sich in einer immer stärkeren Abnahme der Hirnfunktionen äußert. Sie tritt vor allem im Alter auf. Die Hauptursache von Alzheimer sind intrazelluläre Ablagerungen eines Fragments des Amyloid-Vorläufer-Proteins (APP), wodurch es zu einem zunehmenden Verlust von Nervenzellen und damit der Gehirnmasse kommt. Die Betroffenen zeigen anfangs nur eine geringfügigen Vergesslichkeit. In späteren Stadien sind vor allem die Sprache, das Denkvermögen und das Gedächtnis beeinträchtigt. Im Endstadium der Krankheit kommt es schließlich zu einem vollständigen Verlust des Verstandes sowie der Persönlichkeit der betroffenen Personen.
  • Die Parkinson-Krankheit (auch: Morbus Parkinson) ist eine langsam fortschreitende degenerative Erkrankung des Gehirns. Ausgelöst wird sie durch das Absterben von Dopamin ausschüttenden Nervenzellen im Gehirn. Dadurch kommt es zu einem Mangel an Dopamin und zu einer verminderten Aktivität der sog. Basalganglien, die wichtig für die Kontrolle der Motorik sind. Die fortschreitende Störung der Motorik äußert sich in den typischen Parkinson-Symptomen Muskelstarre, Muskelzittern Bewegungsarmut, sowie Haltungsinstabilität.
  • Als Transplantation bezeichnet man die Verpflanzung eines Transplantates (Zellen, Gewebe Organe). Es gibt verschiedene Transplantationsarten, die sich nach Herkunft, Funktion und Ort einteilen lassen. So wird bei einer xenogenen Transplantation ein Organ einer anderen Art transplantiert, während dagegen bei einer allogenen der Spender von einer Art stammt. Daneben gibt es noch die autologe Transplantation, bei der Spender und Empfänger dasselbe Individuum sind. Ist der Spender der eineiige Zwilling so spricht man von einer syngenen Transplantation. Eine alloplastische Transplantation wird das Transplantieren von künstlichem Material genannt. Bei Transplantationen werden Immunsuppressiva verabreicht, um die natürliche Abwehrreaktion des Körpers gegenüber Fremdstoffen zu unterbinden und damit das Transplantat im Körper zu erhalten. Die Zulässigkeit der Organspenden wird durch das Transplantationsgesetz (TPG) seit 1997 in Deutschland geregelt. Tritt Hirntod ein, muss ein Familienangehöriger der Entnahme zustimmen oder ein entsprechender Organspendeausweis des Spenders vorliegen. Am Häufigsten werden heutzutage Niere, Augenhornhaut, Herz und Leber transplantiert.
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