Wikipedia · einfach zusammengefasst · Stand
Stammzelle
Als Stammzellen werden allgemein Körperzellen bezeichnet, die sich in verschiedene Zelltypen oder Gewebe ausdifferenzieren können.
Inhalt6 Abschnitte
Grundlagen und Eigenschaften
Stammzellen sind Körperzellen, die sich zu verschiedenen Zelltypen oder Geweben entwickeln können. Je nach Art können sie sich in jedes Gewebe oder nur in bestimmte Gewebetypen ausdifferenzieren. Sie erzeugen sowohl Tochterzellen mit Stammzelleigenschaften als auch stärker ausdifferenzierte Zellen. Dies beruht auf einem noch nicht vollständig geklärten Mechanismus der asymmetrischen Zellteilung; das biologische Milieu entscheidet wesentlich über das weitere Zellschicksal.
Man unterscheidet Stammzellen vor allem nach ihrem ontogenetischen Alter, also ihrer Stellung in der Entwicklung eines Organismus, und nach ihrem Differenzierungspotenzial. Die frühesten sind pluripotente embryonale Stammzellen. Aus ihnen gehen primitive Keimstammzellen sowie somatische Stamm- und Progenitorzellen (Vorläuferzellen) hervor. Pflanzen besitzen ebenfalls Stammzellen: im Apikalmeristem an der Sprossspitze und im Wurzelmeristem an den Wurzelspitzen. Bei Pflanzen kann praktisch jede Zelle einen vollständigen Organismus regenerieren, anders als bei fast allen tierischen und menschlichen Zellen.
Embryonale Stammzellen und Klonen
Embryonale Stammzellen (ES-Zellen) sind pluripotent. Das heißt: Sie können sich in Zellen aller drei Keimblätter entwickeln – Entoderm, Ektoderm und Mesoderm – sowie in Zellen der Keimbahn. Gewonnen werden sie nach der Befruchtung aus der inneren Zellmasse einer Blastozyste; diese heißt auch Embryoblast oder ICM.
ES-Zellen wurden 1981 erstmals aus Maus-Blastozysten isoliert. In Kultur differenzieren sie spontan, können durch Faktoren zur Förderung ihrer Selbsterneuerung aber undifferenziert gehalten und prinzipiell unbegrenzt vermehrt werden. Dazu trägt die hohe Aktivität der Telomerase bei. Sie bilden im Embryo sämtliche Körperzellen, jedoch nicht die embryonalen Anteile der Plazenta. Menschliche ES-Zellen wurden 1998 erstmals von James Thomson und John D. Gearhart etabliert. Sie stammen meist aus überzähligen, durch In-vitro-Fertilisation entstandenen und eingefrorenen Embryonen. Forschungsziel ist insbesondere, spezialisierte Zellen etwa für Zellersatztherapien zu gewinnen.
Im Mausmodell können ES-Zellen zur gezielten Ausschaltung von Genen und zur Herstellung von Knock-out-Mäusen genutzt werden. Solche Mäuse dienen der Erforschung von Genfunktionen und als Krankheitsmodelle. Differenzierte humane ES-Zellen wurden in Tierversuchen unter anderem bei Morbus Parkinson eingesetzt. Eine klinische Anwendung ist laut Artikel jedoch noch weit entfernt: Transplantate können Tumoren bilden, wenn undifferenzierte hES-Zellen enthalten bleiben, und sie können immunologisch abgestoßen werden.
Eine weitere Gewinnungsmöglichkeit ist therapeutisches Klonen durch Zellkerntransfer: Der Zellkern einer Körperzelle wird in eine unbefruchtete, von ihrer inneren Zellmasse befreite Eizelle übertragen. So könnte ein früher Embryo entstehen, aus dem genetisch und damit immunologisch zum Spender passende ES-Zellen gewonnen werden. Die angeblichen Erfolge von Hwang Woo-suk aus den Jahren 2004 und 2005 erwiesen sich weitgehend als gefälscht. 2007 berichtete ein Team um Shoukhrat Mitalipov, Rhesusaffen geklont und aus den Embryonen zwei ES-Zelllinien gewonnen zu haben; dies wurde am 14. November 2007 unabhängig bestätigt.
Ethische und rechtliche Fragen
Die Gewinnung humaner embryonaler Stammzellen ist ethisch umstritten, weil dafür nach In-vitro-Fertilisation frühe Embryonen zerstört werden müssen. Im Mittelpunkt der deutschen Debatte steht die Frage, ob der frühe Embryo bereits als menschliches Wesen unter dem Würdeschutz des Grundgesetzes steht und sein Leben daher nicht abgewogen werden darf. Befürworter verweisen auf mögliche Behandlungen schwerer Krankheiten wie Parkinson-Krankheit, Diabetes mellitus und Querschnittlähmung sowie auf die Möglichkeit, Organe nachwachsen zu lassen. Konkrete therapeutische Hinweise lagen nach dem Artikel jedoch vor allem aus Nagerversuchen vor.
Die katholische Kirche, unter anderem die Deutsche Bischofskonferenz, vertritt die Auffassung, menschliches Leben und Menschenwürde bestünden ab der Befruchtung der Eizelle. In der Debatte über den moralischen Status werden als mögliche Zeitpunkte unter anderem Kernverschmelzung, Trennung von Embryo und Plazenta, Ausschluss einer Mehrlingsbildung, Nidation, erste Hirnzellen und Geburt diskutiert. Die evangelische Kirche strebt Dialog und Konsens an; sie lehnt die Herstellung von Embryonen zur Isolierung embryonaler Stammzellen ab.
Der Europäische Gerichtshof entschied am 18. Oktober 2011 im Patentstreit Oliver Brüstle gegen Greenpeace, dass ES-Zellen nicht patentiert werden dürfen, wenn zu ihrer Gewinnung Embryonen zerstört werden müssen. Begründet wurde dies damit, dass befruchtete Eizellen menschliches Leben seien.
In Deutschland verbietet das Embryonenschutzgesetz, menschliche Embryonen zu Forschungszwecken herzustellen, zu klonen oder zu zerstören. Importierte embryonale Stammzellen dürfen unter Auflagen erforscht werden. Nach dem Beschluss des Bundestags vom 11. April 2008 dürfen Linien importiert werden, die vor dem 1. Mai 2007 gewonnen wurden; das Robert Koch-Institut führt hierzu ein öffentliches Register. Österreich erlaubt Forschung an importierten pluripotenten ES-Zellen und therapeutisches Klonen, verbietet aber die Gewinnung von ES-Zellen im Inland. In Polen kann Forschung, die einen Embryo in vitro zerstört, mit bis zu drei Jahren Freiheitsstrafe bestraft werden; für ausländische ES-Zellen gibt es keine bindende gesetzliche Regelung. Die Schweiz erlaubt die Gewinnung aus überzähligen Embryonen unter Bedingungen wie Einwilligung des Spenderpaares und Unentgeltlichkeit; Klonen menschlicher Zellen ist verboten. Großbritannien erlaubt die Erzeugung menschlicher ES-Zellen und das Klonen menschlicher Embryonen zu Forschungszwecken. In den USA war die öffentliche Bundesförderung mehrfach eingeschränkt, 2009 teilweise wieder geöffnet und im August 2010 gerichtlich blockiert.
Postembryonale und adulte Stammzellen
Postembryonale Stammzellen kommen nach Abschluss der Embryonalentwicklung bei Säugetieren vor. Sie werden nach ihrem Alter in fötale, neonatale und adulte Stammzellen eingeteilt. Ihr Potenzial ist nach gegenwärtiger Erkenntnis meist auf genetisch festgelegte Gewebe wie Haut, Leber oder das hämatopoetische, also blutbildende, System begrenzt. Deshalb heißen sie multipotent, während ES-Zellen pluripotent sind.
Adulte oder somatische Stammzellen sind nach der Geburt vorhanden und liefern während des gesamten Lebens neue spezialisierte Zellen. Sie finden sich besonders im Knochenmark und in der Haut, aber auch etwa in Fettgewebe, Nabelschnur und Nabelschnurblut, Menstruationsblut, Gehirn, Leber und Bauchspeicheldrüse. Ihr Selbsterneuerungs- und Differenzierungspotenzial ist in Kultur meist geringer als bei ES-Zellen. Neurale Stammzellen können beispielsweise Nervenzellen und Glia bilden, nicht aber Leber- oder Muskelzellen. Beobachtungen einer Transdifferenzierung über Keimblattgrenzen hinweg sind höchst umstritten.
Ein Vorteil adulter Stammzellen ist die mögliche autologe, also körpereigene, Verwendung. Dadurch werden sie für Tissue Engineering, den Aufbau oder Ersatz von Gewebe mithilfe von Zellen, interessant. Eine maligne Entartung wurde bei ihrer klinischen Anwendung laut Artikel bisher nicht beobachtet. Stammzellen können aus Knochenmark durch Beckenknochenpunktion oder Stammzellapherese, aus Nabelschnurblut nach der Abnabelung und aus Haut durch eine kleine Biopsie gewonnen werden. Autologe Vorläuferzellen werden vom Immunsystem nicht als fremd erkannt. Hans Clevers entwickelte 2009 ein Verfahren zur Vermehrung adulter Stammzellen und zur Züchtung von Organoiden, rudimentären Miniaturorganen. 2013 entfernte er bei Darm-Stammzellen von Mukoviszidose-Patienten mithilfe von Genome Editing einen Gendefekt.
Künstlich reprogrammierte Stammzellen
Induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen) entstehen, wenn Körperzellen Erwachsener künstlich in einen embryonal ähnlichen Zustand zurückversetzt werden. Kazutoshi Takahashi und Shinya Yamanaka berichteten 2006 beziehungsweise 2007, dass vier zentrale Entwicklungsgene aktiviert werden können. Aus solchen iPS-Zellen ließen sich in der Petrischale unter anderem Herzmuskel- und Nervenzellen züchten.
Bei der ersten Reprogrammierung wurden Oct-4, Sox-2, c-Myc und Klf-4 durch Retroviren in Zellen eingeschleust. In Tierversuchen entwickelten etwa ein Fünftel der Mäuse Tumoren; als Ursache gelten möglicherweise die krebsfördernden Protoonkogene c-Myc und Klf-4. Deshalb wird nach Verfahren ohne Retroviren und ohne diese Gene gesucht, etwa mit nicht integrierenden Adenoviren sowie Nanog und lin-28. Adenoviren integrieren die eingebrachte Gensequenz nicht in das Genom der Wirtszelle und erhalten damit dessen Integrität.
Im Dezember 2007 berichtete Jacob Hanna über Mäuse mit Sichelzellenanämie, die mit iPS-Zellen behandelt wurden: Das krankheitsauslösende Gen wurde durch homologe Rekombination ersetzt, anschließend wurden blutbildende Vorläuferzellen transplantiert. Die Symptome verschwanden laut Bericht nahezu vollständig. Der Artikel weist jedoch auf unklare Angaben zu Proteinen, zellulärer Biochemie und Zellprozessen hin und fordert Vorbehalt. Als mittelfristig besonders vielversprechend werden aus der iPS-Forschung Medikamente erwartet.
Medizinische Anwendungen und Forschung
Blutbildende Stammzellen aus Knochenmark werden seit über 40 Jahren gegen Leukämie und Lymphome eingesetzt. Bei einer Chemotherapie werden neben Krebszellen auch schnell wachsende und blutbildende Stammzellen geschädigt. Vorher entnommene eigene Stammzellen werden autolog, Stammzellen eines passenden Spenders allogen transplantiert. Nach der Behandlung werden sie injiziert und bilden rote sowie weiße Blutkörperchen, wodurch das Blut erhalten und Infektionen besser abgewehrt werden können.
Nicht blutbildende adulte Stammzellen wurden in einzelnen Studien bei Lähmungen nach Wirbelsäulenverletzungen und bei Morbus Parkinson eingesetzt. Bei Herzinfarkt und Multipler Sklerose wurden Erfolge zur Regeneration berichtet; ob dabei tatsächlich Herzmuskelzellen regeneriert werden, ist ungeklärt. Bei Mäusen verbesserte sich die Herzfunktion nach Infarkt durch Knochenmark-Stammzellen um 33 Prozent, das zerstörte Gewebe regenerierte sich zu 68 Prozent. Nach späterer Einschätzung beruht dies jedoch auf parakrinen oder anderen Effekten, nicht auf einer Transdifferenzierung blutbildender Stammzellen zu Kardiomyozyten. Forschung bezieht sich außerdem auf die Regeneration von Knorpel und Knochen.
2011 wurden in humanen embryonalen und induzierten pluripotenten Stammzelllinien häufigere Genom-Aberrationen festgestellt: hESC zeigten erhebliche Duplikationen, iPSC erhebliche Deletionen. Die Folgen für klinische Anwendungen waren unklar. Am 15. Mai 2013 wurde über pluripotente menschliche Stammzellen aus Zellkerntransfer berichtet. Seit April 2011 liefen laut Artikel zwei FDA-genehmigte Patientenversuche: Bei trockener Makuladegeneration und Stargardt-Dystrophie wurden 50–200.000 aus ES-Zellen gewonnene RPE-Zellen in die Netzhaut eines Auges injiziert. Im Oktober 2014 berichtete The Lancet über signifikante Sehverbesserungen bei der Mehrzahl der Patienten.
Milchzähne können ebenfalls Stammzellen liefern. Zellen aus ihrem Zahnmark werden entnommen, mit Wachstumsmittel kultiviert und konserviert. In der Zahnmedizin können sie zur Regeneration der dentalen Pulpa bei Erwachsenen dienen; durch Tissue Engineering können sich Teile der Wurzelkanäle erneuern.
