Tarnkappe für Stammzellen macht Transplantationen in Zukunft einfacher

Die gefürchtete Abstoßung, eine lebensgefährliche Komplikation nach einer Stammzellentransplantation, kann so erfolgreich verhindert werden. Dies ist ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu universellen Stammzellentherapien und damit für die Medizin der Zukunft. Ihre Arbeit stellten die Hamburger Forscher gemeinsam mit den internationalen Kollegen in der Fachzeitschrift „Nature Biotechnology“ vor.

Ersatzorgane dank Tissue Engineering und Stammzellen

Das neu entwickelte Verfahren bedeutet Hoffnung für all jene Patienten, die auf ein neues Spenderorgan warten. Denn leider ist die derzeitige Situation alles andere als gut. Aufgrund fehlender Spenderorgane werden die Wartelisten weltweit immer länger. Nicht jeder Patient überlebt die Wartezeit. Deswegen werden bei Organversagen andere Behandlungsstrategien immer wichtiger. Hier setzen Mediziner große Hoffnungen auf die Stammzellen, die beim Tissue Engineering im Rahmen der Regenerativen Medizin eine Schlüsselrolle einnehmen. Mit ihrer Hilfe soll kaputtes Gewebe, ja sogar ganze Organe, repariert bzw. völlig ersetzt werden. Das ist das erklärte, langfristige Ziel.

Im Transplant and Stem Cell Immunobiology Lab (TSI Lab) am UKE ist man an vorderster Front dabei, wenn es um die Entwicklung der Therapien von morgen geht. Hier wurde der Grundstein für das neue „Tarnkappen-Verfahren“ gelegt. Zunächst verbrachten die Wissenschaftler Jahre damit, zu verstehen, welche Prozesse nach einer Zelltransplantation ablaufen und welche Mechanismen dafür verantwortlich sind, dass das Immunsystem fremde Zellen erkennt und zerstört. Erst nachdem diese Grundlagenforschung geleistet war, konnte es an den nächsten Schritt gehen: Die Suche nach Möglichkeiten, wie sich genau das verhindern lässt.

Den Durchbruch brachte die Adaption eines Ansatzes, den Mutter Natur im Laufe der Evolution bereits entwickelt hat. Es gelang den Forschern, genau diese clevere Strategie auf induzierte, pluripotente Stammzellen zu übertragen. Bei den sogenannten iPS-Zellen handelt es sich um reprogrammierte somatische Körperzellen. Diese können unkompliziert per Biopsie aus einer Hautprobe gewonnen werden. Im Labor drehen die Wissenschaftler dann quasi die Uhr der Zellen zurück. Dank entsprechender Nährmedien und Botenstoffe entwickeln sich die iPS-Zellen rückwärts und verlieren ihre Spezialisierung. Sie haben dann wieder annähernd embryonale Eigenschaften. Die iPS-Stammzellen erlangen die Fähigkeit wieder, sich unbegrenzt zu teilen und zu einer Vielzahl von verschiedenen Gewebetypen auszudifferenzieren.

Präzedenzfall Schwangerschaft: Embryonale Zellen werden vom mütterlichen Immunsystem nicht attackiert

Die Frage aller Frage „Wo kommt die Tarnkappen-Technik in der Natur bereits vor?“ führte Forscher zu dem immunologischen Sonderfall „Schwangerschaft“. Während der Schwangerschaft darf der Fötus vom mütterlichen Organismus nicht abgestoßen werden, denn sonst kann er sich nicht entwickeln. Da das kindliche Gewebe nur zur Hälfte identisch ist mit den Gewebemerkmalen der Mutter, stellt eine Schwangerschaft eine immunologische Herausforderung dar, denn die andere Hälfte des Erbgutes stammt schließlich vom Vater des Kindes und würde normalerweise als fremd erkannt. Damit sich der Embryo und später der Fötus im Mutterleib entwickeln kann, werden von der Mutter sogenannte tolerogene Moleküle gebildet. Eines dieser Moleküle ist das CD47-Molekül. Es unterdrückt jene Immunzellen der Mutter, die den Fötus als fremd erkennen und entsprechende „Gegenwehr-Maßnahmen“ initiieren würden. Bildlich gesprochen halten die kindlichen Zellen ein Schild mit der Aufschrift „Bitte friss mich nicht!“ hoch. Die CD47-Moleküle sind quasi die Tarnkappe des Ungeborenen, mit der es sich vor der Eliminierung durch die mütterlichen Immunzellen schützt. Das spezifische Tolerogen-Antigen CD47 erzeugt also eine natürliche Immuntoleranz.

Genau dieses Prinzip übertrugen Forscher am UKE nun auf die induzierten, pluripotenten Stammzellen. Diese können jetzt vor einer Transplantation so modifiziert werden, dass sie fortan das Antigen CD47 produzieren. Dadurch sollen sie die Tarnkappen-Funktion erhalten und nach der Transplantation eine Immuntoleranz seitens des Empfänger-Immunsystems bewirken. Das Verfahren hat sich bereits in Modell-Versuchen bewährt. Nach der Transplantation der mit dem CD47-Molekül modifizierten iPS-Zellen konnte keine Abstoßungsreaktion beobachtet werden.

iPS-Zellen revolutionieren die Stammzellenforschung und damit auch die Stammzellentherapie

iPS-Zellen sind eine Stammzellenquelle, der eine große Zukunft vorausgesagt wird. Sie wurden vom Japaner Shin’ya Yamanaka 2006 entdeckt. Er bewies damit die über 100 Jahre alte These von Hans Driesch, dass die Potenz einer Zelle größer ist als ihr eigentliches Schicksal. Für seine bahnbrechende Arbeit erhielten Yamanaka und sein Team 2012 den Medizin-Nobelpreis.

iPS-Zellen gelten als ethisch korrekte Stammzellen. Sie besitzen genauso eine Pluripotenz wie die embryonalen Stammzellen. Um an diese begehrte Stammzellenart zu gelangen, müssen jedoch menschliche Embryonen zerstört werden. Die Gewinnung von embryonalen Stammzellen und die Forschung mit ihnen ist daher ethisch hochumstritten und in vielen Ländern der Erde zu Recht streng reglementiert. In Deutschland schützt das Embryonenschutzgesetz (ESchG) werdendes Leben. Das Stammzellgesetz (StGZ) erlaubt jedoch unter strengen Auflagen die Einfuhr von embryonalen Stammzellen aus anderen Ländern zu Forschungszwecken. Von all diesen gesetzlichen und ethischen Restriktionen sind die induzierten, pluripotenten Stammzellen nicht betroffen. Sie lassen sich recht einfach gewinnen und besitzen dennoch genau jene Eigenschaften, die an embryonalen Stammzellen so hochgeschätzt werden. Gerade die Pluripotenz ist für therapeutische Anwendungen ein gewichtiges Argument. Da pluripotente Stammzellen in der Lage sind, sich zu fast jedem Gewebetyp zu entwickeln, können iPS-Zellen sowohl zu neuen Herzmuskelzellen als auch zu Nervenzellen heranreifen. Damit ließe sich der durch einen Herzinfarkt geschädigte Herzmuskel reparieren oder durch Parkinson zugrunde gegangene Nervenzellen im Gehirn ersetzen.

Anders als embryonale Stammzellen punkten iPS-Zellen durch Pluripotenz und ethische Unbedenklichkeit

Bislang waren die ethischen Diskussionen rund um die embryonalen Stammzellen ein großer Bremsklotz für die Stammzellenforschung. Seitdem die induzierten pluripotenten Stammzellen zur Verfügung stehen, konnten bereits in der Grundlagenforschung aber genauso in der Anwendungsforschung große Fortschritte gemacht werden.

Problematisch für die Akuttherapie ist derzeit die Frage nach der Zellverfügbarkeit. Es ist durchaus möglich, die benötigten Zellen aus dem Gewebe des Patienten zu gewinnen, sodass ein Abstoßungsproblem nicht bestünde. Jedoch dauert die Reprogrammierung und Weiterkultivierung der patienteneigenen Zellen mehrere Wochen. Diese Zeit steht beispielsweise nach einem schweren Herzinfarkt oder Schlaganfall möglicherweise nicht zur Verfügung. Außerdem ist die Gewinnung von individuellen Zelllinien nicht nur zeit-, sondern auch sehr kostenintensiv. Das Sicherstellen von Qualitätskontrollen muss bei jedem Einzelfall separat erfolgen. Viele Stammzellenforscher arbeiten daher daran, dass in Stammzellenbanken universelle iPS-Zelllinien lagern, die bereits alle Sicherheitsvorkehrungen durchlaufen haben und somit schnell für alle Patienten verfügbar wären. Das entwickelte Tarnkappen-Verfahren eröffnet der Stammzellentherapie mit Hilfe universeller Zelllinien völlig neue Perspektiven.

Die jüngsten adulten Stammzellenquellen sind die neonatalen Stammzellen

Experten attestieren den zu den adulten Stammzellen gehörenden induzierten pluripotenten Stammzellen viele Vorteile. Doch für die medizinische Anwendung haben sie einen entscheidenden Nachteil: Die gewonnenen somatischen Körperzellen und damit auch die ursprünglichen Stammzellen sind mit dem Patienten gealtert. Es ist möglich, dass sie Schädigungen aufgrund von Krankheiten oder Umwelteinflüssen davongetragen haben. Diese natürlichen Alterungsprozesse können sich negativ auf die aus ihnen entstehenden iPS-Stammzellen auswirken.

Es gibt jedoch eine Stammzellenquelle, die ist fast so jung und unbelastet wie die embryonalen Stammzellen: Es handelt sich dabei um die sogenannten neonatalen Stammzellen aus dem Nabelschnurblut und dem Nabelschnurgewebe. Sie sind sehr teilungsfreudig, hochgradig flexibel und lassen sich ganz einfach gewinnen. Nachdem das Neugeborene abgenabelt ist, wird die Nabelschnurvene punktiert und das kostbare Nabelschnurblut noch im Kreißsaal aufgefangen. Der kleine Eingriff ist für Mutter und Kind vollkommen risikolos und schmerzfrei, denn die Nabelschnur verfügt über keinerlei Nervenrezeptoren. Leider ist es noch der Normalfall, dass in Deutschland die Nabelschnur im Klinikmüll entsorgt wird und somit der medizinische Schatz aus der Nabelschnur ungenutzt bleibt.

Vita 34 will das ändern! Wir möchten, dass jedes heute geborene Kind die Chance auf ein Stammzellendepot und damit auf eine optimale, medizinische Versorgung in der Zukunft erhält. Daran arbeiten wir und werden nicht müde, werdende Eltern aber auch Hebammen und Gynäkologen für dieses Thema zu sensibilisieren und über die bereits heute vorhandenen Möglichkeiten aufzuklären.

Die gewonnenen neonatalen Stammzellen lassen sich unkompliziert für viele Jahre im Kryotank einfrieren und stehen im Fall der Fälle umgehend zur Verfügung. Studien konnten zeigen, dass selbst Jahrzehnte in der Kälte und damit im „Dornröschenschlaf“ den Alleskönnerzellen nichts anhaben können. Nach dem Auftauen sind die neonatalen Stammzellen vollfunktionsfähig und machen sich umgehend an ihre von der Natur zugedachten Aufgaben: Regenerieren und Reparieren von kaputtem Gewebe.

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