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Medizinische Themen

Stammzellen

Stammzellen sind Körperzellen, die noch nicht ausdifferenziert sind. Das heißt, sie liegen noch nicht in einer Form vor, die sie für ihre Verwendung im Organismus spezialisiert (zum Beispiel als Hautzelle oder Leberzelle), vielmehr ist ihre spätere Verwendung noch offen. Stammzellen sind in der Lage, ständig neue, organspezifische Tochterzellen zu erzeugen und sich dabei selbst zu erhalten. Hierzu befähigt sie ein noch nicht vollständig geklärter Mechanismus von asymmetrischer Zellteilung, der es ihnen erlaubt, einerseits Tochterzellen mit Stammzelleigenschaften zu generieren, während sich andere Tochterzellen weiter ausdifferenzieren. Über das jeweilige Schicksal der Zellen entscheidet dabei vor allem das biologische Milieu, in dem sie sich befinden.

Stammzellen werden vor allem durch ihr ontogenetisches Alter und ihr Differenzierungspotenzial unterschieden: die ontogenetisch frühesten Stammzellen sind die totipotenten embryonalen Stammzellen, aus denen später die primitiven Keimstammzellen, sowie die somatischen Stamm- und Progenitorzellen (oder Vorläuferzellen) hervorgehen.

Auch Pflanzen besitzen Stammzellen. Diese befinden sich an der Spitze des Sprosses im sogenannten Apikalmeristem sowie an den Wurzelspitzen im Wurzelmeristem. Im Gegensatz zu fast allen tierischen und menschlichen Zellen besitzen bei Pflanzen jedoch praktisch alle Zellen die Fähigkeit einen kompletten Organismus zu regenerieren.

Embryonale Stammzellen

Embryonale Stammzellen (ES) sind in vivo und in vitro in der Lage, sich in Zellen aller drei Keimblätter (Entoderm,Ektoderm und Mesoderm) sowie in Zellen der Keimbahn auszudifferenzieren. Sie werden daher als pluripotent bezeichnet. ES werden für experimentelle Zwecke nach Befruchtung der Eizelle im Stadium der Blastozyste aus der inneren Zellmasse (ICM; auch Embryoblast genannt) gewonnen.

ES-Zellen wurden erstmals 1981 isoliert - aus Blastozysten der Maus. Sie neigen in vitro dazu, spontan zu differenzieren. Dies kann durch Faktoren unterbunden werden, welche die Selbsterneuerung der Zellen fördern. Mehrere solcher Stoffe wurden seit Ende der 1980er Jahre identifiziert, maßgeblich durch die Gruppe um Austin Smith in Edinburgh. ES können daher im Prinzip unbegrenzt vermehrt werden, was möglicherweise auch mit ihrer hohen Aktivität des Enzyms Telomerase zusammenhängt. Damit unterscheiden sie sich von anderen Körperzellen, die ihre Teilungsaktivität in der Kulturschale meist nach kurzer Zeit einstellen (replikative Seneszenz).

ES bilden, so wurde bisher angenommen, im Embryo die Vorläufer für sämtliche Körperzellen, nicht jedoch für die embryonalen Anteile der Plazenta. Allerdings konnte 2003 am Mausmodell gezeigt werden, dass aus ES-Zellen wiederum Blastozysten abgeleitet werden können[3].

Eine bemerkenswerte Eigenschaft von ES-Zellen der Maus besteht darin, dass sie in Präimplantationsembryonen wiedereingeführt werden können und nach deren Transfer in scheinschwangere Tiere am Aufbau aller fötalen Gewebe beteiligt werden. Dies ist die Grundlage für die zielgerichtete Ausschaltung von Genen in Mäusen. Solche Knock-out-Mäuse sind von hohem Wert für die Erforschung von Genfunktionen und werden auch als Modelle für menschliche Erbkrankheiten verwendet.

Weiterhin können ES-Zellen in vitro mehr oder weniger gezielt in definierte Zelltypen differenziert werden, z.B. in Nervenzellen. Dieses Gebiet wurde insbesondere ab 1998 mit der Etablierung von humanen ES-Zellen (hES-Zellen) durch James Thomson belebt. hES-Zellen werden aus sogenannten überzähligen Embryonen gewonnen, die durch In-vitro-Fertilisation entstanden sind und tiefgefroren gelagert werden. Das Hauptinteresse der Forschung an hES-Zellen gilt der Differenzierung in spezialisierte Zellen, um diese für mögliche Zellersatztherapien verfügbar zu machen.

ES werden möglicherweise eines Tages in der Medizin als Ersatzmaterial dienlich sein können. Die Krankheit Parkinson konnte zumindest in Tierversuchen bereits behandelt werden. Die vor allem im Tiermodell gewonnenen Erkenntnisse wurden jedoch allzu häufig vorschnell direkt auf den Menschen extrapoliert. Sie bedürfen noch der strengen Validation und sind im Gegensatz zu den adulten Stammzellen (s.u.) von einer möglichen klinischen Anwendung noch weit entfernt[4]. So neigen Zellkulturen aus hES beispielsweise dazu, bösartige Tumoren zu bilden, was sie für einen therapeutischen Einsatz bisher ungeeignet erscheinen lässt. Es kann auch vorkommen, dass die gewonnenen embryonalen Stammzellen die gleichen genetischen Defekte aufweisen (zum Beispiel bei Erbleiden) und somit nicht zur direkten Heilung einsetzbar sind.

Klonen

Eine bemerkenswerte Entdeckung auf dem Gebiet der ES gelang 1997 mit der erfolgreichen Klonierung des Schafes "Dolly".

Die ES-Forschung musste aber auch herbe Rückschläge verkraften: Im Jahr 2004 publizierte das Forschungsteam um den südkoreanischen Tiermediziner Hwang Woo-suk, es sei erstmals gelungen, einen menschlichen Embryo mit Hilfe eines Zellkerntransfers zu Klonen um auf diese Weise Stammzelllinien zu gewinnen (Therapeutisches Klonen). 2005 folgte eine Publikation in der angesehenen Fachzeitschrift Science, der zufolge die weltweit ersten maßgeschneiderten embryonalen Stammzellen für schwerstkranke Patienten etabliert wurden. Beide Publikationen stellten sich allerdings als weitgehend gefälscht heraus und wurden folglich zurückgezogen.

Ethische Kontroverse

Die Art der Gewinnung von hES nach In-vitro-Fertilisation führte zu einer hitzigen, bis heute andauernden ethischen Debatte, unter deren Eindruck die Forschung an hES in Deutschland lange Zeit verboten war. Die Verwendung menschlicher embryonaler Stammzellen (hES-Zellen) in der Forschung und Medizin wird von einem Teil der Gesellschaft abgelehnt, da zu ihrer Gewinnung die Zerstörung von menschlichen Embryonen erforderlich ist ("verbrauchende" Embryonenforschung). Grundsätzlich geht es bei der Diskussion in Deutschland vor allem um die Frage, ob der frühe Embryo als menschliches Wesen unter den Würdeschutz des Grundgesetzes fällt und damit sein Leben keinerlei Abwägungen unterliegen dürfe. Die Befürworter der Forschung an Embryonalen Stammzellen führen in dieser Diskussion das Argument des möglicherweise sehr hohen positiven Potential der Forschung mit humanen embryonalen Stammzellen ins Feld: Die Wissenschaftler erhoffen sich unter anderem eine Heilung schwerer Krankheiten (Parkinson, Diabetes, Querschnittslähmung) sowie die Möglichkeit, zerstörte Organe nachwachsen zu lassen. Konkrete Hinweise auf solche therapeutischen Erfolge gibt es allerdings zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch nicht.

Bemerkenswert ist, dass sich die Kritiker der Stammzellforschung letztlich eine Position der katholischen Kirche zu eigen machen, die historisch relativ jung ist: Ursprünglich war man in der katholischen Kirche davon ausgegangen, dass die Beseelung des Embryos schrittweise erfolge und die höchste Form der Seele, die anima intellectiva, erst ca. 90 Tage nach der Empfängnis übertragen werde. Alternativ war man von einer "Spätbeseelung", ebenfalls ca. 90 Tage nach der Empfängnis, ausgegangen. Erst seit neuerem wird in der Katholischen Kirche rigoros die These der Simultanbeseelung am 1. Tag nach der Empfängnis vertreten.

Trotz Liberalisierung der restriktiven Haltung mit Einführung des Stammzellgesetzes (StZG) führt die hES-Forschung in Deutschland weiterhin ein Schattendasein.

Stammzellenimport wurde bei der Wahl für das Wort des Jahres 2001 auf den 5. Platz gewählt.

Gesetzeslage

Nach dem Embryonenschutzgesetz ist es in Deutschland verboten, menschliche Embryonen (also auch Blastozysten, die als Quelle für embryonale Stammzellen dienen) für Forschungszwecke zu zerstören. Auch die Herstellung von Embryonen für Forschungszwecke ist untersagt. Die Forschung an importierten embryonalen Stammzellen ist jedoch unter Auflagen möglich und wird durch das Stammzellgesetz vom Juli 2002 geregelt. Dieses Gesetz und insbesondere die darin enthaltene Regelung, dass nur embryonale Stammzellen nach Deutschland importiert werden dürfen, die vor dem 1. Januar 2002 gewonnen wurden, wird in Deutschland kontrovers diskutiert. Diese älteren Stammzell-Linien müssen zum Erhalt ihrer Eigenschaften auf Mäusezellen kultiviert werden und eignen sich daher selbst nach erfolgreichen Tierversuchen nicht zum Einsatz am Menschen. Es besteht die Sorge, dass Deutschland durch diese gesetzliche Sonderregelung den Anschluss an die Forschungsnationen USA und auch an asiatische Länder verlieren könnte.

Die Forschung an embryonalen Stammzellen in den USA unterliegt allerdings, sofern sie öffentliche Mittel des Bundes in Anspruch nimmt, ebenfalls erheblichen Einschränkungen. Der amerikanische Senat und das Repräsentantenhaus haben für eine Aufhebung der erheblichen Einschränkungen im Juli 2006 gestimmt; dagegen hat der amerikanische Präsident Bush erstmals in seiner Amtszeit ein Veto eingelegt. Die Diskussion in den USA geht weiter.

Postembryonale Stammzellen

Die Gruppe der postembryonalen Stammzellen umfasst all jene Stammzellen, die nach der 12. Schwangerschaftswoche im Organismus von Säugetieren vorkommen. Nach ihrem ontogenetischen Alter werden sie weiterhin in fötale, neonatale und adulte Stammzellen unterteilt. Das Differenzierungspotential von Postembryonalen Stammzellen ist nach gegenwärtiger Erkenntnis auf die Ausreifung genetisch determinierter Gewebe - etwa der Haut, der Leber oder des hämatopoetischen Systems beschränkt. Sie werden daher im Gegensatz zu den ES nicht mehr als pluripotent, sondern nur noch als multipotent bezeichnet.

Adulte Stammzellen

Während embryonale Stammzellen nur im frühen Embryo vorkommen, sind adulte (auch: somatische) Stammzellen im Organismus nach der Geburt (postnatales Stadium) vorhanden. Aus diesen Zellen werden während der gesamten Lebensdauer des Organismus neue spezialisierte Zellen gebildet. Adulte Stammzellen, die in Organen (besonders im Knochenmark, in der Haut, aber auch im Fettgewebe, in der Nabelschnur und im Nabelschnurblut, im Gehirn, der Leber oder der Bauchspeicheldrüse) zu finden sind, haben aber im allgemeinen in Zellkultur ein deutlich geringeres Selbsterneuerungsvermögen und ein eingeschränkteres Differenzierungspotential als embryonale Stammzellen. So können sich neurale Stammzellen zu allen Zelltypen des Nervengewebes (Neuronen, Glia etc.), wohl aber nicht zu Leber- oder Muskelzellen entwickeln. Ein Keimblatt-überschreitendes Differenzierungspotential bestimmter Stammzelltypen (Fähigkeit zur Transdifferenzierung) wurde in verschiedenen Studien beobachtet, ist jedoch höchst umstritten.

Adulte Stammzellen sind in jedem Individuum verfügbar, so dass die Perspektive des Ersatzes durch körpereigene, d.h. autologe Zellen gegeben ist und sie sich dadurch für die Technik des Tissue Engineering anbieten. Auch scheint die Neigung zur malignen Entartung bei Implantation adulter Stammzellen geringer zu sein als bei embryonalen Stammzellen. Eine Entartung konnte bei der klinischen Verwendung von adulten Stammzellen bisher nicht beobachtet werden.

Die Gewinnung von adulten Stammzellen und von Progenitorzellen aus dem Knochenmark erfolgt mittels Punktion des Beckenknochens unter Vollnarkose oder neuerdings verstärkt mittels der Stammzellapherese. Die Gewinnung von Nabelschnurblut-Stammzellen erfolgt nach der Abnabelung des Kindes, durch die Entnahme des restlichen, noch in Nabelschnur und Plazenta befindlichen Bluts. Die Gewinnung von multipotenten Stammzellen aus der Haut erfolgt mittels einer kleinen Hautbiopsie in örtlicher Betäubung im ambulanten Bereich. Danach werden die Stammzellen aus dem Gewebeverband gelöst und stehen zur weiteren Verwendung oder der Lagerung über viele Jahre als Vorsorge, wie schon heute von einem deutschen Unternehmen in Heidelberg angeboten, zur Verfügung. Im Rahmen einer normalen Eigenblutspende können zirkulierende Endotheliale Vorläuferzellen gewonnen werden. Das Potential dieser autologen (körpereigenen) Vorläuferzellen für die Therapie von Herz- und Gefäßerkrankungen wird derzeit in klinischen Studien untersucht. Der Vorteil der Verwendung autologer Vorläuferzellen liegt in der fehlenden Immunogenität, d.h. die transplantierten Zellen werden vom Immunsystem nicht als fremd erkannt.

Stammzellmedizin

Seit über 40 Jahren werden die blutbildendenden Stammzellen des Knochenmarks in der Behandlung von Leukämie und von Lymphomen eingesetzt. Während einer Chemotherapie z.B. werden die meisten schnell wachsenden Zellen durch zytotoxische Bestandteile zerstört. Dadurch werden nicht nur die Krebszellen abgetötet; auch die Stammzellen, die andere Körperzellen reparieren sollten, werden durch die Therapie in Mitleidenschaft gezogen. Besonders betroffen sind hierbei die blutbildenden Stammzellen. Deshalb werden vor der Chemotherapie Stammzellen aus dem Knochenmark des Patienten (durch sogenannte autologe Transplantation) oder von einem passenden Spender gewonnen (sogenannte allogene Transplantation). Nach Abschluss der chemotherapeutischen Behandlung werden die blutbildenden Stammzellen injiziert. Diese Stammzellen produzieren dann große Mengen an roten und weißen Blutkörperchen, wodurch das Blut gesund erhalten werden kann und Infektionen besser abgewehrt werden können.

Nicht blutbildende adulte Stammzellen sind innerhalb einzelner Studien bereits mit Erfolg bei Lähmungen nach Wirbelsäulenverletzungen und bei Morbus Parkinson eingesetzt worden. Bei erfolgreichen klinischen Studien konnten Stammzellen aus dem Knochenmark, Patienten nach Herzinfarkt oder bei Multipler Sklerose zu einer besseren Regeneration verhelfen. Inzwischen hat man auch in der Haut multipotente Stammzellen entdeckt, die sich potentiell in alle Organgewebe des Menschen entwickeln und hier zur Regeneration beitragen können.

Stammzellforschung

Derzeit gelingt es in Versuchen an Ratten, Gehirntumore durch die Injektion von adulten Stammzellen zu behandeln. Wissenschaftler in Harvard haben die Zellen gentechnisch so verändert, dass sie eine andere gleichzeitig injizierte Substanz in einen Krebszellen tötenden Stoff umwandeln. Die Größe der Tumore konnte um 80 Prozent reduziert werden.

Stammzellen scheinen außerdem in der Lage zu sein, Zellen, die durch einen Herzinfarkt geschädigt wurden, zu erneuern. An der Columbia-Presbyterian University ist es gelungen, die Herzfunktion nach einem Infarkt bei Mäusen durch die Injektion von Knochenmark-Stammzellen um 33 Prozent zu verbessern. Das zerstörte Gewebe regenerierte sich zu 68 Prozent wieder. Allerdings wird mittlerweile davon ausgegangen, daß dieses auf parakrine oder andere Effekte der transplantierten Zellen zurückzuführen ist, eine Transdifferenzierung hämatopetischer Stammzellen zu Kardiomyozyten jedoch nicht stattfindet.

In Deutschland wird u.a. am Klinikum der Universität Frankfurt in einer klinischen Studie der Nutzen von Stammzellen für die Regeneration des Herzens erforscht. Adulte Stammzellen werden hier durch Zentrifugation aus Blut gewonnen, durch anschließende Ausbringung auf Fibronectin-Platten kultiviert und auf diesen selektiv angereichert; sie haften auf den Platten an, so dass andere Zellen abgespült werden können. Nach drei Tagen Kultivierung können sie von den Platten abgelöst und - mit Hilfe geeigneter Nährmedien - ins Herz eingebracht werden. In vergleichbarer Weise können adulte Stammzellen auch aus Muskelgewebe oder ganz unkompliziert aus der Haut gewonnen werden, allerdings dauert hier die Kultivierung nicht drei, sondern ungefähr 20 Tage.

Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Stammzellen aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation.