Heilen mit Stammzellen

Stammzellen

Heilen mit Stammzellen

Es klingt nach einem Elixier für ewiges Leben: krankes Gewebe durch gesundes ersetzen. Stammzellen könnten das ermöglichen. Sie haben das Potenzial, sich in verschiedene Zelltypen zu verwandeln. Herz, Augen oder Hirn – sie ließen sich so reparieren. Wann fangen wir an? So leicht ist das leider nicht.

Stammzellen statt Organtransplantation

Wissenschaftler auf der ganzen Welt suchen nach Wegen, Krankheiten mithilfe von Stammzellen zu heilen. Sie müssen dabei ausschließen, dass die Stammzellen Tumore bilden. Zudem müssen die neuen, künstlich erzeugten Zellen im Körper funktionieren. Ohne Nebenwirkungen zu verursachen – und ohne nach einem Jahr bereits den Dienst zu verweigern.

Schon heute behandeln Ärzte Blutkrankheiten wie Leukämie mithilfe von Stammzellen: Diese sind im Knochenmark enthalten – und können Leben retten, wenn sie einem Kranken gespendet werden. Sie können sich in alle Zellen des blutbildenden Systems entwickeln, in rote Blutkörperchen, in Blutplättchen und in weiße Blutkörperchen.

Die Stammzellen könnten es in der Medizin zu etwas bringen. In Zukunft sollen sie verschiedene Erkrankungen zu therapieren helfen, etwa Herzinfarkte. Erleidet ein Mensch einen Infarkt, wird das Herz teilweise nicht ausreichend mit Sauerstoff versorgt. Milliarden von Herzmuskelzellen sterben innerhalb kurzer Zeit ab.

Bisher gibt es kaum Therapien für Herzinfarktpatienten

"Für Menschen mit einem Herzinfarkt gibt es bisher kaum Therapiemöglichkeiten", sagt Ulrich Martin, der an der Klinik für Thorax-, Herz- und Gefäßchirurgie in Hannover arbeitet, dem größten Herztransplantationszentrum in Deutschland.

"Diese Herzmuskelzellen können sich danach nicht erneuern, wie etwa Hautzellen es tun", sagt er. Das Gewebe vernarbt, anstatt sich zu regenerieren. Die Folge: Das Herz verliert mit der Zeit kontinuierlich an Pumpleistung. "Wir können diesen Prozess zwar verlangsamen, aber am Ende hilft häufig nur noch eine Herztransplantation." Es gebe zu wenig Spender.

Ein Dilemma für die Kardiologen und Herzchirurgen. Martin und seine Forscherkollegen von der Medizinischen Hochschule Hannover suchen seit Jahren nach einem Weg, das abgestorbene Herzmuskelgewebe zu ersetzten. Ihre Hoffnung: Mithilfe von Stammzellen könnte man neues Muskelgewebe heranzüchten und in das Herz des Patienten einpflanzen.

Die Forscher haben lange nach geeigneten Zellen gesucht. Der Einsatz von embryonalen Stammzellen ist bis heute ethisch umstritten. Zudem lassen sich diese Stammzellen nicht einfach handhaben: Sie stammen für gewöhnlich von einem Embryo, dessen Erbgut vom Erbgut des Empfängers abweicht. Die Folge: Abstoßungsreaktionen. Das Immunsystem des Empfängers akzeptiert die neuen Zellen nicht – oder diese greifen die Zellen in der neuen Umgebung an.

Adulte Stammzellen, die jeder Mensch bis ins Alter in sich trägt, führen in der Therapie seltener zu Komplikationen. Doch Versuche haben gezeigt: Diese Stammzellen sind nicht so wandlungsfähig – und können sich nur noch in bestimmte Gewebearten umwandeln. Für Herzmuskelzellen eignen sie sich beispielsweise nicht.

Herzgewebe aus dem Reagenzglas

Adulte Stammzellen in der Mikroskopansicht.

Nicht mehr so wandlungsfähig: adulte Stammzellen

Stammzellen lassen sich auch künstlich im Labor gewinnen. "Heute wissen wir, dass ein bestimmtes Gen dabei eine Schlüsselrolle spielt", sagt Hans Schöler vom Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin in Münster. Seine Kollegen und er konnten zeigen, dass ein Gen namens "Oct4" in der Regel nur in zwei Zelltypen aktiv ist: in embryonalen Stammzellen sowie in Eizellen und Spermien.

In allen ausgereiften Körperzellen ist es hingegen inaktiv. Wer diese adulten Zellen in die Alleskönner-Stammzellen verwandeln will, muss Oct4 gezielt aus seinem Schlummer erwecken.

Das gelang 2006 dem Japaner Shin'ya Yamanaka. Die induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS) zeigten ein ähnliches Verwandlungspotenzial wie embryonale Stammzellen. Auch die Forscher der Medizinischen Hochschule Hannover versuchten dieses Verfahren.

"Für unsere Arbeiten zur Erzeugung von Herzmuskelzellen verwendeten wir die gleiche Technologie wie Yamanaka", sagt Ulrich Martin. Sechs Jahre nach der Erfolgsmeldung des Japaners sind auch sie ihrem Ziel ein ganzes Stück näher gekommen: 2012 haben Martin und seine Kollegen vermeldet, aus iPS-Zellen funktionelles Herzmuskelgewebe gezüchtet zu haben. Dieses weise die Eigenschaften von natürlichem Gewebe auf. Auch anderen Wissenschaftlern ist es gelungen, die Forschungsergebnisse zu rekonstruieren.

Risiken nicht ausgeschlossen

Die Stammzellen versprechen Segen, bergen aber auch Risiken: Sie können beginnen unkontrolliert zu wuchern, wenn sie während einer Therapie in den Menschen übertragen werden. Forscher bezeichnen die Wucherungen als Teratome. In solchen Tumoren finden sich alle möglichen Zelltypen, wie Haut-, Muskel- und Nervenzellen.

Teratome sind keine Krebsgeschwüre und dennoch gefährlich. Wenn sie wachsen, drücken sie auf die Organe in ihrer Umgebung. Sowohl embryonale Stammzellen als auch iPS-Zellen können Teratome auslösen. Damit das nicht passiert, haben sich die Forscher einen Trick einfallen lassen.

Sie verpflanzen nicht die Stammzellen selbst, sondern züchten das gewünschte Gewebe im Labor heran und übertragen dieses in den Patienten. "Wir können bereits sicherstellen, dass ausschließlich reine Herzmuskelzellen zur Züchtung des Gewebes übrigbleiben", sagt Ulrich Martin.

Gefährlich: Wenn sich das Erbgut verändert

Mikroskopansicht einer Krebszelle.

Stammzellen bergen auch Risiken, etwa für Krebs

Die künstlich hergestellten Stammzellen bergen noch ein weiteres Risiko: Sie können entartete Zellen bilden – und damit bösartige Tumore. Ein Grund dafür: Um eine iPS-Zelle zu erzeugen, entnehmen die Forscher Körperzellen, die bereits ein gewisses Alter erreicht haben. Je älter der Spender, desto wahrscheinlicher ist es, dass sich bereits Erbgutveränderungen eingeschlichen haben. Ist eine Zelle mutiert, gibt sie diese Veränderung von Generation zu Generation weiter, mit jeder Teilung.

Ein weiteres Risikopotenzial, das von künstlichen Stammzellen ausgeht: Während der Reprogrammierung zu den verschiedenen Körperzellen können Mutationen entstehen. Diese Erbgutveränderungen sind nicht immer kontrollierbar und können Krebs hervorrufen. "Um dieses Risiko auszuschließen, müssen wir die Zellen für das Transplantat sehr genau charakterisieren", sagt Ulrich Martin. Technisch sei das machbar, jedoch mit einem sehr hohen Aufwand verbunden.

Hilfe bei Altersblindheit

Armbinde für Blinde mit drei Punkten.

Hilfe für Blinde: Netzhautzellen aus Stammzellen

Gerade wenn lebenswichtige Organe wie das Herz betroffen sind, sind erste Tests am Menschen eine heikle Angelegenheit. Klinische Studien gibt es bisher noch nicht. Anders sieht es mit Organen wie dem Auge aus.

"Das Auge ist eine stark begrenzte Körperregion", sagt Boris Stanzel von der Augenklinik des Universitätsklinikums in Bonn. Die Risiken seien deshalb überschaubar und kontrollierbar. Ganz an der Spitze steht hier die Heilung der Altersblindheit mithilfe von Stammzellen.

Die altersabhängige Makuladegeneration ist die häufigste Erblindungsursache für Menschen in der westlichen Welt. In Deutschland leiden daran rund viereinhalb Millionen Menschen. Dabei werden die Sehzellen der Netzhaut nicht mehr richtig versorgt. Sie sterben ab.

Die Forscher wollen die Stammzellen in die jeweilige Art von Netzhautzellen umwandeln - und dann ins Auge spritzen. Eine solche Netzhaut wurde bereits in verschiedenen Laboren auf der ganzen Welt herangezüchtet.

Die Wissenschaftler verwenden auch adulte Stammzellen dafür: "Erwachsene Menschen beherbergen in ihrer Netzhaut zehn Prozent einer Zellpopulation, die eine multipotente Stammzellfähigkeit hat", sagt Stanzel. Gemeinsam mit Forscherkollegen aus New York haben sie es geschafft, ganze Gewebestücke heranwachsen zu lassen – und diese in die Augen von Kaninchen zu transplantieren. "Die Zellen hielten sich bis zu vier Wochen, ohne dass sie vom Immunsystem abgestoßen wurden", sagt Stanzel.

In den USA haben Forscher der Universität von Kalifornien bereits erste klinische Studien zu Netzhauttransplantaten durchgeführt. Sie erzeugten aus embryonalen Stammzellen Netzhautzellen und transplantierten diese erfolgreich in das Auge von Menschen. Allerdings wurden die einzeln eingespritzten Zellen innerhalb von zwei Wochen vom eigenen Immunsystem wieder zerstört.

Die Zukunft der Stammzelltherapie

"Die Zukunft muss noch zeigen, ob die künstlich erzeugten Zellen überhaupt im Körper dauerhaft überleben", sagt der Biomediziner Hans Schöler aus Münster. Das Problem sei, dass diesen Zellen im Labor der natürliche Entwicklungsprozess fehle.

Schon in der Eizelle interagierten die ersten Zellen unseres Körpers mit anderen und würden auf diese Weise programmiert, sagt Schöler. "Man kann sich die künstlichen Zellen wie Kasper Hauser vorstellen, dem von Geburt an der Kontakt zu anderen Menschen fehlte." Die Folge: Viele seiner Fähigkeiten waren eingeschränkt, so konnte er etwa kaum mit anderen Menschen kommunizieren.

Die Therapien mit embryonalen oder künstlich erzeugten Stammzellen – irgendwann werden sie kommen, da sind sich viele Wissenschaftler einig. "Stammzelltransplantationen in der Netzhaut könnten in zehn Jahren Routine sein", glaubt Boris Stanzel. Ob diese dann für jedermann bezahlbar sind, bleibt abzuwarten.

Boom in der Medikamentenforschung

Stammzellen unterm Mikroskop.

Mit Stammzellen neue Wirkstoffe erforschen

Künstliche Stammzellen bieten aber noch ein weiteres Potenzial, das mit dem Schaffen von Ersatzorganen und -geweben nichts zu tun hat: Mit ihnen lassen sich Krankheiten erforschen, wie es bisher kaum möglich war.

Ein Beispiel: Menschen mit einer erblich bedingten Hauterkrankung können Ärzte leicht eine Hautprobe entnehmen. Die kranken Zellen lassen sich dann unter dem Mikroskop untersuchen und im Labor heranzüchten. So können Wissenschaftler Versuche mit den kranken Zellen durchführen, um den Defekt zu untersuchen.

Auch Medikamente können an diesen Zellen im Reagenzglas getestet werden. Bei Menschen, die etwa unter einer erblich bedingten Nervenkrankheit leiden, war das bisher kaum möglich. Die Forscher konnten keine Zellprobe aus dem Hirn der Betroffenen entnehmen, solange diese noch lebten.

Mithilfe der künstlich erzeugten Stammzellen ist nun eine Diagnose möglich: Den Patienten kann eine einfache Hautprobe entnommen werden. Die Hautzellen lassen sich im Reagenzglas in Nervenzellen des Gehirns umwandeln. Untersuchungen oder Medikamententests lassen sich daran durchführen – ohne die Stammzellforschung wäre das nicht möglich. "In den kommenden Jahren wird das zu einem Boom an neuen Wirkstoffen in der Pharmaindustrie führen", sagt Ulrich Martin.

Vor allem die Forschung an embryonalen Stammzellen birgt schließlich noch eine weiteres Potenzial: Wie entwickelt sich ein Embryo? In welcher Phase der Schwangerschaft ist welches Medikament gefährlich für seine Entwicklung? Auch das sind Fragen, die sich mittels Stammzellforschung beantworten lassen können.

Autoren: Inka Reichert/Sarah Weiss

Stand: 20.06.2016, 11:47

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