ArchivDeutsches Ärzteblatt1-2/2002Stammzellen: „Rohstoff“ für die regenerative Medizin

THEMEN DER ZEIT

Stammzellen: „Rohstoff“ für die regenerative Medizin

Dtsch Arztebl 2002; 99(1-2): A-32 / B-23 / C-23

Ho, Anthony D.

Als E-Mail versenden...
Auf facebook teilen...
Twittern...
Drucken...
LNSLNS Stammzellen gelten als Hoffnungsträger in der
regenerativen Medizin. Doch sowohl embryonale als auch adulte Stammzellen weisen Vor- und Nachteile auf.


Das Plastizitäts-Potenzial der hämatopoetischen Stammzellen erscheint unbegrenzt. Es können Leber-, Muskel-, Knorpel- und sogar Nervenzellen abgeleitet werden.
Das Plastizitäts-Potenzial der hämatopoetischen Stammzellen erscheint unbegrenzt. Es können Leber-, Muskel-, Knorpel- und sogar Nervenzellen abgeleitet werden.
Die Stammzellforschung weckt derzeit Hoffnung auf eine nahezu unbegrenzte Anwendung von Stammzellen in der regenerativen Medizin. Ergebnisse aus Tierversuchen mit embryonalen und adulten Stammzellen lassen vermuten, dass in einer nicht allzu fernen Zukunft für die Transplantation geeignete Spenderzellen in Zellkulturverfahren hergestellt werden können.
Einen starken Aufschwung nahm die Stammzellforschung Ende 1998, als Wissenschaftler Verfahren zur Kultur humaner Stammzellen aus in vitro befruchteten menschlichen Embryonen entwickelten. Die Arbeitsgruppe um James Thomson, University of Wisconsin, Madison (USA), isolierte aus einem sieben Tage alten Embryo Stammzellen und gewann daraus mehrere Zelllinien. Diese Methode eröffnete völlig neue Perspektiven für Gewebezucht und Organersatz. Das Wissenschaftsmagazin „Science“ deklarierte 1999 zum Jahr der Stammzellforschung („Breakthrough 1999“).
Ethische und rechtliche Fragen
Embryonale Stammzellen scheinen grundsätzlich zur Züchtung von Gewebe oder Organen geeignet zu sein. Es ist durchaus denkbar, dass künftig fehlerhafte Organfunktionen durch Transplantation von gezüchteten Stammzellen behoben und somit einige erbliche und erworbene Erkrankungen geheilt werden können. Allerdings wirft die Gewinnung von Stammzellen aus „geopferten“ Embryonen viele ethische, moralische und rechtliche Fragen auf.
Dies ist bei adulten Stammzellen weniger der Fall. Die aus dem erwachsenen Organismus gewonnenen Stammzellen scheinen ebenfalls ein annähernd unbegrenztes Differenzierungspotenzial zu besitzen. Im Labor lassen sich aus ihnen unter speziellen Bedingungen Muskel-, Knorpel-, Leber- oder Nervenzellen züchten. Bisher war ihre Umwandlungsfähigkeit oder Plastizität unbekannt. Sie könnte aber genutzt werden, um spezifische Zellen oder Gewebsverbände für die Transplantation herzustellen.
Stammzellen können auf verschiedenen Wegen gewonnen werden: Adulte Stammzellen lassen sich aus fetalen Geweben, Nabelschnurblut oder aus Geweben eines Erwachsenen (zum Beispiel aus dem Knochenmark) isolieren. Embryonale Stammzellen (ES) werden aus bis zu sieben Tagen alten Embryonen gewonnen. Mehrere Arbeitsgruppen haben inzwischen Zelllinien etabliert, wobei jede eine fast unerschöpfliche Quelle für Forschungs- und Behandlungszwecke darstellen könnte. Auch aus den Urkeimzellen während der fetalen Entwicklung können „embryonale germ“-(EG-) Zellen abgeleitet werden. Menschliche EG-Zellen besitzen ähnliche Potenziale wie ES-Zellen. Ob die aus menschlichen EG-Zellen abgeleiteten Spenderzellen nach Transplantation zur Geweberegeneration eingesetzt werden können, ist zurzeit offen.
Die Entwicklungspotenziale der embryonalen Stammzellen (ES-Zellen, EG-Zellen) und der adulten Stammzellen unterscheiden sich deutlich. Generell nimmt das entwicklungsbiologische Potenzial mit dem ontogenetischen Alter ab. Die ES-Zellen und EG-Zellen eignen sich deshalb wahrscheinlich besonders für Zellersatzstrategien bei Geweben, die sich nur sehr eingeschränkt regenerieren (speziell für das Nervensystem). So konnten aus ES-Zellen der Maus abgeleitete Zellen in einem Rattenmodell bei einer Myelinmangel-Krankheit den Myelinmangel wieder aufheben. Da die multiple Sklerose ebenfalls eine Myelinmangel-Krankheit ist, sind analoge Therapieansätze vorstellbar. Aus ES-Zellen der Maus können auch Nervenzelltypen hergestellt werden, die bei Morbus Parkinson defekt sind. Vorstellbar ist ferner die Transplantation von ES-Zellen abgeleiteten Herzmuskelzellen zur Behandlung von Herzinsuffizienz und Herzinfarkt. Ein ebenso viel versprechender Weg ist die In-vitro-Differenzierung insulinbildender Zellen zur Behandlung des Diabetes mellitus.
In jüngster Zeit hat sich herausgestellt, dass adulte Stammzellen nicht nur Zellen des entsprechenden Organs hervorbringen können, sondern auch Zellen anderer Gewebe oder Organe. Aus dem Knochenmark wurden zum Beispiel nicht nur neue Blutzellen abgeleitet, sondern auch Zellen verschiedener Körpergewebe, wie Knochen, Knorpel, Sehnen, Muskeln, Leber. Sogar Nervenzellen bildeten sich. Neurale Stammzellen, isoliert aus einer erwachsenen Maus, können nach Implantation in frühe Embryonalstadien einer Empfängermaus in zahlreichen Geweben und Organen identifiziert werden. Ein breites Differenzierungsspektrum ließ sich auch für Stammzellen aus dem Skelettmuskel nachweisen. Eine Transplantation von Knochenmarkzellen behob bei Mäusen einen ansonsten wahrscheinlich tödlich verlaufenden Leberschaden. Im April 2001 hat eine amerikanische Arbeitsgruppe über die Regeneration von Cardiomyozyten nach Herzinfarkt berichtet. Sie umspritzte das infarzierte Gebiet mit Blutstammzellen aus einem Spendertier. Bei Mäuseherzen mit künstlich erzeugtem Infarkt erreichte eine weitere Arbeitsgruppe durch Transplantation von Blutstammzellen eine Gefäßneubildung und Regeneration der Cardiomyozyten. Auch autologe Blutstammzellen werden zur Gefäßneubildung nach einer induzierten Ischämie des Skelettmuskels verwendet. Allerdings gelangen den Forschern die meisten Versuche bisher nur im Tiermodell.
Klinische Relevanz fraglich
Im Gegensatz zu den adulten Stammzellen sind die embryonalen Stammzellen aus Zelllinien eine fast unerschöpfliche Quelle. Die Konzentration pluripotenter Stammzellen im erwachsenen Organismus ist dagegen gering. Aber nur diese reifen in Gewebe mit sehr niedrigen Teilungsraten, wie Neuronen, Cardiomyozyten oder Inselzellen, aus. Bei den Tiermodellen wurden Transplantate aus angereicherten Zellen eines Spendertiers verwendet. Das Tier musste geopfert werden. Ob adulte Stammzellen klinische Relevanz erreichen, ist daher fragwürdig.
Die Verwendung von embryonalen Stammzellen birgt jedoch ethische Probleme und auch einige Gefahren. Im Tierversuch induzierte die Transplantation von unreifen embryonalen Zellen Teratome oder Teratokarzinome. Der Einsatz spezieller Kulturbedingungen kann diese Gefahr allerdings zumindest im Tierversuch beseitigen. Eine Transplantation von aus ES-Zellen abgeleiteten Spenderzellen führt in einem erwachsenen Organismus möglicherweise zu Abstoßungsreaktionen. Daher müssen die ES-Zellen zuerst auf einen geordneten Differenzierungsweg gelenkt werden (Priming). Ob sich aus menschlichen ES-Zellen Spenderzellen gewinnen lassen, wird derzeit intensiv untersucht. Nur durch Forschungsarbeiten an menschlichen ES-Zellen lassen sich solche Informationen ableiten.
Nabelschnurblut, das in der Regel nach der Geburt entsorgt wird, enthält eine begrenzte Anzahl von Blutstammzellen und pluripotenten Stammzellen. Durch Transplantation dieser Zellen lässt sich ein intaktes Blut- und Immunsystem wiederherstellen. Nabelschnurblut enthält jedoch keine ausreichende Zahl von Stammzellen, um auch größere Kinder und Erwachsene zu behandeln. Deshalb versuchen Wissenschaftler seit Jahren, unter kontrollierten Bedingungen Stammzellen zu kultivieren und zu vermehren. Die pluripotenten Stammzellen brauchen aber offensichtlich spezielle Kulturbedingungen. Bisher ist ihre Vermehrung aus Knochenmark des Erwachsenen oder aus Nabelschnurblut noch nicht überzeugend gelungen.
Alternative: fetale Stammzellen
Fetale Gewebe kommen prinzipiell auch als Quelle pluripotenter Stammzellen infrage. Fetale Knochenmarks- und Leberzellen besitzen ein relativ hohes Proliferations- und Selbsterneuerungspotenzial. Ob das Plastizitätspotenzial mit den Selbsterneuerungs- und Proliferationspotenzialen korreliert, wird intensiv untersucht. Eventuell stellen diese Stammzellen eine Alternative für die regenerative Medizin dar (Grafik).
Die fetalen Stammzellen können jedoch nur während eines sehr engen Entwicklungsfensters aus abortiertem Gewebe von Feten gewonnen werden. Da in der Regel nur aus medizinischen Gründen ein Abort eingeleitet wird, wahrscheinlich aufgrund einer Fehlbildung oder einer Embryopathie, ist solches Material möglicherweise mit zellulären Schäden assoziiert und nur bedingt für die Gewinnung therapeutisch einsetzbarer Spenderzellen geeignet.
Korrelation zwischen Selbsterneuerungspotenzial und ontogenetischem Alter bei einem und demselben Phänotyp von Blutstammzellen. Das Potenzial ist am höchsten bei Zellen aus fetaler Leber, gefolgt von denen aus Nagelschnurblut, und am niedrigsten aus erwachsenem Knochenmark. Quelle: Anthony D. Ho et al.
Korrelation zwischen Selbsterneuerungspotenzial und ontogenetischem Alter bei einem und demselben Phänotyp von Blutstammzellen. Das Potenzial ist am höchsten bei Zellen aus fetaler Leber, gefolgt von denen aus Nagelschnurblut, und am niedrigsten aus erwachsenem Knochenmark. Quelle: Anthony D. Ho et al.
Durch In-vitro-Manipulationen können aus dem „Rohstoff“ Stammzelle vermutlich eines Tages Knorpel-, Leber- oder Nervenzellen gezüchtet werden. Diese könnten sich zur Transplantation bei Patienten mit Gelenkserkrankungen, Leberversagen, Alzheimer-Demenz, Morbus Parkinson, Schlaganfall oder Querschnittslähmungen eignen. Wegen ihrer enormen Selbsterneuerungsfähigkeit und des entwicklungsbiologischen Potenzials können embryonale Stammzellen wahrscheinlich für Zellersatzstrategien bei Geweben eingesetzt werden, die nur ein sehr eingeschränktes Regenerationsvermögen aufweisen. Adulte Stammzellen können auch neue Differenzierungswege „erlernen“, sind jedoch schwer im Organismus zu finden. Hinzu kommt, dass die Selbsterneuerungsfähigkeit solcher Stammzellen relativ gering ist. Es ist daher fragwürdig, ob diese theoretisch interessante Alternative für den klinischen Einsatz bedeutsam sein wird. Beim derzeitigen Stand ist es daher besser, sich alle Wege offen zu halten, anstatt sich auf eine feste Strategie der Stammzellforschung zu beschränken.

Anschrift des Verfassers:
Prof. Dr. med. Anthony D. Ho
Universität Heidelberg
Medizinische Klinik und Poliklinik V
Hospitalstraße 3, 69115 Heidelberg
Anzeige

Leserkommentare

E-Mail
Passwort

Registrieren

Um Artikel, Nachrichten oder Blogs kommentieren zu können, müssen Sie registriert sein. Sind sie bereits für den Newsletter oder den Stellenmarkt registriert, können Sie sich hier direkt anmelden.

Fachgebiet

Zum Artikel

Anzeige

Alle Leserbriefe zum Thema