MEDIZIN

Das neue Zeitalter der Stammzellenforschung

„Stammzellen aus menschlichen Hautzellen“ – die Nachricht ging Ende 2007 um die Welt. Sie wurde von den Fachleuten wie eine Heilsbotschaft aufgenommen. Sie gibt der Hoffnung auf die Entdeckung neuer medizinischer Therapien neue Impulse, belebt aber auch erneut die Kontroverse um die Rechtfertigung der Stammzellenforschung mit menschlichen Embryonalzellen.

Im  Jahr 1998 leitete James Thomson (University of Wisconsin-Madison, USA)  ein Forscherteam, dem es gelungen war, wiederholt embryonale menschliche  Stammzellen zu isolieren. Mit einem japanischen Team ist es seinem Labor 2007 gelungen, die ersten pluripotenten Stammzellen aus der Haut zu isolieren. © Jeff Miller/University of  Wisconsin-Madison Im Jahr 1998 leitete James Thomson (University of Wisconsin-Madison, USA) ein Forscherteam, dem es gelungen war, wiederholt embryonale menschliche Stammzellen zu isolieren. Mit einem japanischen Team ist es seinem Labor 2007 gelungen, die ersten pluripotenten Stammzellen aus der Haut zu isolieren. © Jeff Miller/University of Wisconsin-Madison
Noch nicht differenzierte embryonale Stammzellen (in blau, Mitte). Sie stellen das erste Stadium der Zellentwicklung dar und können sich zu 220 unterschiedlichen funktionalen  Zellen des menschlichen Körpers entwickeln. © Lay Glennon/Thomson Lab/University of Wisconsin-Madison Noch nicht differenzierte embryonale Stammzellen (in blau, Mitte). Sie stellen das erste Stadium der Zellentwicklung dar und können sich zu 220 unterschiedlichen funktionalen Zellen des menschlichen Körpers entwickeln. © Lay Glennon/Thomson Lab/University of Wisconsin-Madison
Unter dem Mikroskop erscheinen die embryonalen Stammzellen als dichte Zellhaufen. Die länglichen Zellen, an denen sie haften (Fibroblasten), dienen als „Nährböden“ und  ermöglichen ihre Entwicklung. © University of  Wisconsin-Madison Unter dem Mikroskop erscheinen die embryonalen Stammzellen als dichte Zellhaufen. Die länglichen Zellen, an denen sie haften (Fibroblasten), dienen als „Nährböden“ und ermöglichen ihre Entwicklung. © University of Wisconsin-Madison
Das Wachstum der Vorläufer der Neuralzellen, die aus Stammzellen entstehen, wird im  Labor erzielt und erlaubt es, reife Neuronen (rot) und Glialzellen (grün) zu  erzeugen. © Su-Chun Zhang/University  of Wisconsin-Madison Das Wachstum der Vorläufer der Neuralzellen, die aus Stammzellen entstehen, wird im Labor erzielt und erlaubt es, reife Neuronen (rot) und Glialzellen (grün) zu erzeugen. © Su-Chun Zhang/University of Wisconsin-Madison

Vier Jungbrunnen-Gene

Shinya Yamanaka von der japanischen Universität Kyoto verwendete Hautzellen aus dem Gesicht einer 36-jährigen Frau. Nach Entnahme der Fibroblasten injizierten die Wissenschaftler kodierende Gene für vier Transkriptionsfaktoren. Diese genetische Manipulation ermöglichte es, bestimmte Gene der Hautzellen zu aktivieren, die normalerweise nur während der embryonalen Entwicklung aktiv sind. Auf diese Weise „halten sich“ die Fibroblasten für noch nicht spezialisierte, embryonale Stammzellen. Das japanische Team täuschte die Hautzellen mit Oct3/4 und Klf4, zwei Transkriptionsfaktoren, die bei der Erhaltung der Pluripotenz der Stammzellen (d. h. ihrer Fähigkeit, sich in jede beliebige Embryonal- oder Erwachsenenzelle zu differenzieren) eine Rolle spielen, sowie mit Sox2, einem Protein aus embryonalen Stammzellen, und cMyc, das unverzichtbar für Zellwachstum und -teilung und die Verlang - samung der Zelldifferenzierung ist. Shinya Yamanaka und sein Team konnten auf diese Weise eine Stammzellenlinie aus 5 000 Hautzellen erzeugen. „Diese Ausbeute mag mäßig erscheinen“, erläutert Shinya Yamanaka, „aber es bedeutet, dass man aus einer einzigen 10 cm großen Probe eine Vielzahl an pluripotenten Stammzellen – linien erzeugen kann.“ Die Ergebnisse dieser Studie wurden Ende November 2007 in der Zeitschrift Cell (1) veröffentlicht. Jenseits des Atlantiks wird ein etwas anderer Ansatz verfolgt.

Das Team um James Thomson verwendete zwar auch kodierende Gene für vier Transkriptionsfaktoren, die Kandidaten sind aber nicht dieselben wie beim japanischen Team. Die Wissenschaftler der University of Wisconsin-Madison arbeiteten zwar auch mit Oct3/4 und Sox2, entschieden sich aber bei den anderen beiden Transkriptionsfaktoren für NANOG und LIN28. Ein weiterer Unterschied zwischen den Arbeiten der beiden Gruppen besteht darin, dass Thomsons Team mit den Zellen der Vorhaut eines Neugeborenen arbeitete. Ergebnis: Sie schafften es, eine von 10 000 Zellen zu verjüngen. Ihre Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Science(2) veröffentlicht.Somit ist es sowohl den japanischen als auch den amerikanischen Forschern gelungen, bereits voll differenzierte Zellen umzuprogrammieren. In beiden Fällen konnten die ausgewählten Gene durch die Verwendung eines Retrovirus in die Hautzellen eingeschleust werden. Beide Techniken ermöglichen es, Stamm - zellen mit den genetischen Informationen des Patienten zu produzieren. Ein nicht unerheb- licher Vorteil, der die Abstoßungsrisiken nach einer Transplantation beträchtlich verringert. Es gibt jedoch einen Punkt, der für die amerikanische Technik spricht. „Der große Unterschied zwischen den beiden Methoden ist, dass die japanischen Forscher cMyc, ein krebserregendes Gen, verwendeten“, erklärt Daniel Brison, Co-Direktor des North West Embryonic Stem Cell Center der University ofManchester. „Die Amerikaner setzten es dagegen nicht ein. Ihre Zellen wären also klinisch gesehen vorteilhafter.“

Wie sieht es mit der Verwendung von Embryonen aus?

Die durch Umprogrammierung der erwachsenen menschlichen Zellen erhaltenen Stammzellen werden „induzierte pluripotente Stammzellen“ (iPS, induced pluripotent stem cell) genannt. Sie besitzen den embryonalenStammzellen (ES cell) sehr ähnliche physische, genetische und biologische Grundeigenschaften. „Es sind aber noch einige Jahre Forschung nötig, bis feststeht, ob sie wirklich ebenso effizient sind wie embryonale Stammzellen oder ob sich gegebenenfalls Unterschiede bemerkbar machen. Embryonale Stammzellen werden bei der Maus bereits seit 20 Jahren untersucht, beim Menschen seit zehn Jahren“, bemerkt Daniel Brison. Neben der biologischen und klinischen Bedeutung der Studienergebnisse stießen die Arbeiten an den iPS auch die Ethikdiskussion wieder an. Welche Vorteile bietet diese Technik im Vergleich zu den bisherigen Methoden? Manche mögen induzierte pluripotente Stammzellen als eine Lösung für die zahlreichen ethischen Fragestellungen bei der Arbeit mit embryonalen Stammzellen und beim therapeutischen Klonen sehen. Die Experten auf diesem Gebiet sind jedoch geteilter Meinung. „Reprogrammierte Stammzellen aus erwachsenen Zellen sind in jeder Hinsicht wesentlich interessanter“, argumentiert Jonas Frisén vom Karolinska Institut, Abteilung für Zell- und Molekularbiologie, in Schweden.

„Mit dieser Technik muss nicht auf Embryonen zurückgegriffen werden und es können genetisch identische Zellen zu denen des Patienten geschaffen werden.“ Für Daniel Brison sind die Vorteile der Erzeugung von iPS nicht ganz so eindeutig: „Für die Gewinnung von Stammzellen werden überzählige Embryonen aus In-vitro- Befruchtungen verwendet. Sie werden ohnehin „aufgegeben“. Embryonale Stammzellen sind und bleiben die natürliche Quelle für pluripotente Stammzellen, da sie dazu fähig sind, ein Herz, Muskeln, Gehirngewebe usw. zu produzieren. Erwachsene Hautzellen sind dazu ursprünglich nicht bestimmt. Daniel Brison meint, das therapeutische Klonen sei, obwohl seine Effizienz beim Menschen noch nicht nachgewiesen ist, natürlicher als induzierte pluripotente Stammzellen. „Die Eizelle ist die beste Umgebung, in welcher der Kern pluripotent programmiert wird. Therapeutisches Klonen ist kein natürlicher Vorgang, da man den Kern einer erwachsenen Zelle zur Reprogrammierung in eine Eizelle einschleust, aber es bleibt eine natürlichere Methode als der Einsatz von iPS, bei denen es sich um genetisch veränderte Zellen handelt.“ Der Co-Direktor des NW Embryonic Stem Cell Center prognostiziert sogar eine starkeöffentliche Reaktion gegen die iPSTherapien, ähnlich wie bei Nahrungsmitteln aus transgenen Quellen. Ian Wilmut, der „Vater“ des im Jahr 1997 geklonten Schafs Dolly, ist da ganz anderer Meinung. Der Schotte findet die neue Technik sehr vielversprechend und gab sogar seine Forschungsarbeiten zum Klonen von Embryonen auf, um sich ganz diesem Thema zu widmen, da es seiner Meinung nach eine „neue Ära“ in der Biologie einläutet

Eine neue Ethikdebatte…

Einer der wichtigsten Vorteile der Repro gram - mierung von Hautzellen ist ihre Einfachheit. Mit nur vier Genen können Hautzellen in einem Verfahren, das sich in einem normalen Labor durchführen lässt, zu Stammzellen zurückgebildet werden. Außerdem sind Hautzellen um einiges einfacher zu gewinnen als Embryonen. Die für diese umstrittene, aber deshalb nicht weniger außerordentliche Entdeckung verantwortlichen Forscher zeigen jedoch Zurückhaltung. „Die Forschung auf diesem Gebiet hat gerade erst begonnen, wir verstehen nur unzureichend, wie diese Zellen funktionieren“, erklärt James Thomson, Leiter der amerikanischen Forschungsgruppe, für den nach wie vor embryonale Stammzellen den Maßstab in der Forschung bilden. Und Shinya Yamanaka ist der Meinung, es brauche noch mindestens ein Jahr, bevor die Unschädlichkeit der neuen Technik nachgewiesen werden könne. Die Ergebnisse der beiden Forscher - gruppen werden wegen ihres Verzichts auf Embryonen zwar gelobt, sie lösen jedoch eine neue Ethikdebatte aus. In der Tat warnen manche Wissenschaftler bereits vor den Anwendungsmöglichkeiten einer solchen Technik. Ihrer Ansicht nach wäre es theoretisch möglich, ausgehend von induzierten pluripotenten Stammzellen, Eizellen und Samenzellen mit der DNA ein- und derselben Person zu erzeugen. Dies würde in der Praxis das Prinzip der Fortpflanzung völlig in Frage stellen.

Eine rechtliche Regelung gibt es jedoch auf diesem Gebiet noch nicht. „Rechtlich gesehen befinden wir uns hier in einer Grauzone“, erklärte ein Sprecher der britischen Regierung zum Thema menschliche Befruchtung im Daily Telegraph. In Frankreich relativiert dervom Figaro befragte Vorsitzende des nationalen Ethikkomitees (Comité consultatif national d’éthique) die Risiken eines Missbrauchs und kündigt ein baldiges gesetzliches Verbot dieser Praxis an. Es ist zwar weise, den Risiken neuer Methoden vorzubeugen, aber die Erzeugung von Gameten aus induzierten pluripotenten Stammzellen scheint sehr schwer zu bewerkstelligen zu sein. In der Tat ist die Bildung von Geschlechtszellen bei der Frau fest an das Eifollikel und beim Mann an die Samen - kanälchen gebunden. Außerdem erfahren die Gameten während ihrer Bildung eine Reduktionsteilung, auch Meiose genannt. Durch diesen Vorgang, der nur bei Geschlechtszellen stattfindet, werden Zellen erzeugt, die nur einen halben Chromosomensatz enthalten. Solche Gameten ohne Meiose aus induzierten pluripotenten Stammzellen herzustellen, würde dann eher in die Kategorie „science fiction“ gehören!

Audrey Binet

  1. Takahashi, K., Tanabe, K., Ohnuki, M., Narita , M., Ichisaka, T., Tomoda, K., Yamanaka, S. (2007). Induction of pluripotent stem cells from adult human fibroblasts bydefined factors. Cell, 131, 1-12.
  2. Yu, J., Vodyanik, M., Smuga-Otto, K., Antosiewicz-Bourget, J., Frane, J., Tian, S., Jonsdottir, G., Ruotti, V., Nie, J., Thomson, J. (2007). Induced pluripotent stem cell lines derived from human somatic cells. Science.

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Mehr Einzelheiten

Wann kommt die klinische Anwendung?

Die Ergebnisse der amerikanischen und japanischen Forschergruppe scheinen also nicht das Interesse an embryonalen Stammzellen in Frage zu stellen, und die Diskussion ethischer Fragen können sie auch nicht beenden. Aber sie bringen zusätzliche Hoffnung für die Behandlung bestimmter Krankheiten, wie Krebs, Diabetes, Arthritis, Rückenmarksschädigungen, Herzkrankheiten, Verbrennungen, Parkinson und Alzheimer. Bei Organtransplantationen könnten die Ärzte dank dieser neuen Technik Stammzellen mit den genetischen Informationen des Patienten erschaffen und dadurch das Risiko einer Abstoßung ausschließen.

Die Begeisterung für diese neue Methode ist daher durchaus verständlich. Dennoch liegt noch ein langer Weg vor den Forschern, bevor klinische Anwendungen getestet werden können. Zuerst müssen die Wissenschaftler herausfinden, wie genau die induzierten pluripotenten Stammzellen den Stammzellen embryonaler Herkunft tatsächlich entsprechen. Außerdem sind die Mechanismen der Reprogrammierung noch relativ unerforscht. Ein weiterer Punkt muss vor jeglicher Nutzung auf medizinischem Gebiet noch geregelt werden: Es muss eine Alternative zum Retrovirus gefunden werden, um die „Jungbrunnen-Gene“ in die Zelle einzuschleusen.

Die Verwendung eines solchen Virus kann zu gefährlichen genetischen Mutationen führen. Der Verzicht auf den Retrovirus wäre demnach eine entscheidende Etappe bei der Entwicklung der Technik. Bei der japanischen Methode stellt die Verwendung eines Gens mit starkem Krebsfaktor ebenfalls eine beachtliche Schwachstelle dar. Es heißt, Shinya Yamanakas Team habe bereits sein Protokoll geändert: Mit Hilfe von nur drei Genen habe man pluripotente Stammzellen aus Hautzellen von Mäusen und erwachsenen Menschen isoliert. Während dieses Experiments starb keine der 26 Mäuse aus Stammzellen ohne cMyc-Gen an einem Tumor.

Von den 37 Mäusen aus Stammzellen mit dem karzinogenen Gen waren sechs an einem Tumor gestorben. Für die Spezialisten geht die Suche nach dem Gral weiter. Zwei Wochen nach der Veröffentlichung der Ergebnisse der Amerikaner und Japaner verkündeten andere Forscher bereits einen Erfolg bei der Anwendung dieser Technik. Jacob Hannah und sein Forscherteam am Whitehead Institute for Biomedical Research in Cambridge (Massachusetts) gelang es, an Anämie erkrankte Mäuse durch dieVerwendung von induzierten pluripotenten Stammzellen aus Hautzellen ihres Schwanzes zu heilen (Science, 7. Dezember 2007). Ein kleiner Schritt hin zu einer möglichen Anwendung von induzierten pluripotenten Stammzellen beim Menschen…



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