13 Stammzellen, die Fast-Alleskönner

Autorin: Tanja Stehning

Stammzellen, die Fast-Alleskönner

Embryonale Stammzellen sind wahre Alleskönner: Sie haben das Potential, sich in jeden Zelltyp unseres Körpers zu verwandeln. Für die Forschung sind sie deshalb von großem Interesse. Mit ihnen könnten sich eines Tages Krankheiten wie Alzheimer heilen lassen, geschädigte Organe könnten nachgezüchtet werden.

Jede Eizelle könnte ein Mensch werden

Doch um menschliche embryonale Stammzellen zu gewinnen, werden befruchtete Eizellen benötigt. Aus jeder Eizelle  könnte sich aber potentiell ein Mensch entwickeln. Und auch die Anwendungsmöglichkeiten der Stammzellen lassen Kritiker aufhorchen: die Möglichkeit, sich ein ‚Designer-Baby‘ zu kreieren, rückt mit ihnen ein Stückchen näher, genauso wie die Züchtung von  Mischwesens mit menschlichen und tierischen Zellen.

Und was, wenn die Bemühungen von Forscherinnen und Forscher Erfolg haben, hochspezialisierte adulte Stammzellen, also Stammzellen von erwachsenen Menschen, wie sie zum Beispiel in der Haut vorkommen, zurück auf Anfang zu programmieren und aus ihnen Ei- und Samenzellen zu gewinnen?

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Sendung als Podcast

Download Funkkolleg Biologie und Ethik (13), MP3-Audioformat, 24:50 Min., 45.4 MB

Sendung in hr-iNFO: 10.02.2018, 11:30 Uhr

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Zusatzmaterial

  1. Stammzellen
  2. Gewinnung embryonaler Stammzellen
  3. Induzierte pluripotente Stammzellen
  4. Adulte Stammzellen
  5. Organersatz und -transplantation aus Stammzellen
  6. Stammzellen und Genome Editing
  7. Embryonenschutzgesetz und Stammzellgesetz

Empfehlenswerte Literatur zur Sendung

  • Kühl, S & Kühl, M (2012). Stammzellbiologie. Stuttgart: Verlag Eugen Ulmer.
  • Badura-Lotter, G (2005). Forschung an embryonalen Stammzellen. Zwischen biomedizinischer Ambition und ethischer Reflexion. Frankfurt [u.a.]: Campus.
  • Albrecht, S/ Dierken, J/ Freese, H & Hößle, C (Hrsg.) (2003). Stammzellforschung – Debatte zwischen Ethik, Politik und Geschäft. Hamburg: Hamburg Univ. Press. (PDF)
  • Deutsche Forschungsgemeinschaft (Hrsg.) (2003). Forschung mit humanen embryonalen Stammzellen. Standpunkte. Weinheim: Wiley-VCH. (PDF)
  • Braun, K (2000). Menschenwürde und Biomedizin. Zum philosophischen Diskurs der Bioethik. Frankfurt [u.a.]: Campus.

1. Stammzellen

Was ist eine Stammzelle? Stammzellen zeichnen sich durch mehrere Eigenschaften aus, die sich von somatischen Zellen (d.h. Körperzellen höherer Organismen mit Ausnahme von Keimzellen und adulten Stammzellen) unterscheiden. Stammzellen liegen in einem undifferenzierten Zustand vor und können sich in verschiedene Zelltypen differenzieren. Zudem weisen sie eine praktisch unbegrenzte Teilungsfähigkeit auf (eine Fähigkeit, mit der eine hohe Telomerase-Aktivität verbunden ist). Dieses Differenzierungspotential und diese endlose Teilungsfähigkeit der Stammzelle wird durch den Vorgang der Selbsterneuerung aufrechterhalten. Dabei entsteht durch die Zellteilung einer Stammzelle stets eine Tochterzelle, die das gleiche Entwicklungspotential wie die Mutterzelle besitzt. Verantwortlich für die Aufrechterhaltung des Stammzellcharakters (einer embryonalen Stammzelle) ist das Zusammenspiel der drei Tranksriptionsfaktoren Oct4, Nanog und Sox2, die sich gegenseitig in einer positiven Rückkopplungsschleife regulieren. Diese halten ihre Expression aufrecht und hemmen gemeinsam mit transkriptionellen Repressoren die Aktivität von Differenzierungsgenen.

Differenzierungspotential von Stammzellen

  • Totipotenz ist die Fähigkeit einer Stammzelle, alle Zellen eines Organismus zu bilden (einschließlich der Keimzellen und aller extraembryonaler Gewebe). Dies trifft bei Säugern nur auf die Zygote un den Blastomeren nach der frühen Furchung zu.
  • Pluripotenz beschreibt die Fähigkeit einer Stammzelle, sich in nahezu alle Zelltypen der drei Keimblätter (Ektoderm, Entoderm, Mesoderm) zu entwickeln. Ein Beispiel für pluripotente Stammzellen sind embryonale Stammzellen.
  • Multipotenz bezeichnet die Fähigkeit von Stammzellen, sich zu verschiedenen Zelltypen innerhalb eines Gewebetyps (z.B. Blutzellen) zu differenzieren. Ein Beispiel für multipotente Stammzellen sind die Stammzellen der Hämatopoese.
  • Oligopotenz ist die Fähigkeit von Stammzellen, sich in wenige verschiedene Zelltypen eines Gewebes zu entwickeln. Oligopotent sind z.B. lymphoide und neuronale Stammzellen.
  • Unipotenz beschreibt die Fähigkeit von Stammzellen, nur Zellen desselben Typs zu bilden. Ein Beispiel für unipotente Stammzellen sind Spermatogonien (vgl. Spermatogenese).

Weiterführende Literatur

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2. Gewinnung embryonaler Stammzellen

Die Gewinnung humaner, embryonaler Stammzellen ist in Deutschland nicht erlaubt, jedoch ist nach umfassender Prüfung des Robert-Koch-Institutes teilweise ein Import möglich. Im Rahmen der In-vitro-Fertilisation (IVF) werden z.B. in Großbritannien „überschüssige“ Embryonen erzeugt und in flüssigem Stickstoff tiefgefroren. Nach dem Einverständnis der biologischen Eltern werden diesen Embryonen dann Stammzellen entnommen. Bei diesem Verfahren werden die Zellen der inneren Zellmasse mit immunologischen und mechanischen Methoden aus der Blastozyte isoliert und daraufhin in der Zellkultur kultiviert.

Weiterführende Literatur zur Stammzellbiologie und Ethik der embryonalen Stammzellforschung

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3. Induzierte pluripotente Stammzellen

Induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen) sind Zellen, die durch die Reprogrammierung differenzierter Zellen gewonnen werden. Der japanische Arzt und Stammzellforscher Shinya Yamanaka berichtete in der Zeitschrift Cell die Möglichkeit einer Reprogrammierung von murinen Fibroblasten in einen Zustand, der dem Zustand von embryonalen Stammzellen sehr ähnlich war.

Heute dienen iPS-Zellen bereits als Modellsystem für genetisch bedingte Erkrankungen. Bei der Reprogrammierung einer somatischen Zelle nach Yamanaka werden die vier Faktoren Oct4, Sox2, c-Myc und Klf4 in eine somatische Zelle eingeschleust.

Die endogene Expression von Fbx15 (F-Box Protein 15) ist ein erster Indikator für das erfolgreiche Einleiten der Reprogrammierung. Später beginnt zudem die endogene Expression der Pluripotenzmarkergene Oct4 und Nanog.

Weiterführende Literatur

  • Takahashi, K & Yamanaka, S (2006). Induction of Pluripotent Stem Cells from Mouse Embryonic and Adult Fibroblast Cultures by Defined Factors. Cell 126 (4): 663-676. (DOI: 10.1016/j.cell.2006.07.024) (PDF)
  • Löser, P/ Hanke, B & Wobus, AM (2011). Humane pluripotente Stammzellen – Perspektiven ihrer Nutzung und die Forschungssituation in Deutschland. Naturwissenschaftliche Rundschau 64 (9): 453-465. (PDF)
  • Liebau, S/ Stockmann, M/ Illing, A/ Seufferlein, T & Kleger, A (2014). Induzierte pluripotente Stammzellen. Eine neue Ressource in der modernen Medizin. Internist 55 (4): 460-469. (DOI: 10.1007/s00108-013-3397-2) (PDF)
  • Schöne-Seifert, B (2009). Induzierte pluripotente Stammzellen: Ruhe an der Ethikfront? Ethik Med 21: 271-273 (DOI: 10.1007/s00481-009-0038-3) (PDF)
  • Meiser, I/ Sébastien, I & Neubauer, JC (2013). Automatisierte Kultivierung von induziert pluripotenten Stammzellen. BIOspektrum 19 (5): 523-526. (DOI: 10.1007/s12268-013-0351-8) (PDF)
  • Kaulen, H (2013). Wenn differenzierte Zellen wieder zu Stammzellen werden. Über Perspektiven und Grenzen der regenerativen Medizin. Forschung Frankfurt 1: 8-12. (PDF)
  • Zellux (2018). Induzierte pluripotente Stammzellen (iPS). (https://zellux.net/m.php?sid=57)
  • Henn, V (2017). Induzierte pluripotente Zellen: Stammzellen aus dem Labor. (https://www.wissensschau.de/stammzellen/ips_zellen.php)

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4. Adulte Stammzellen

Adulte Stammzellen befinden sich in den regenerativen Geweben adulter Organismen und haben die Fähigkeit, sich selbst zu erneuern (Selbsterneuerung) und unter bestimmten Bedingungen in verschiedene Zelltypen auszudifferenzieren. Während embryonale Stammzellen pluripotent sind, gelten adulte Stammzellen allerdings nur als multi-, oligo- oder unipotent.

Die adulten Stammzellen brauchen, um ihr Stammzellcharakter aufrechtzuerhalten, eine definierte Umgebung. Sie halten sich in sogenannten Stammzellnischen auf. Die Stammzellnische ist eine anatomische Struktur bestehend aus zellulären und nicht zellulären Komponenten. Sie integriert lokale und systemische Faktoren, die sie an die Stammzelle sendet.

Fünf Komponenten konnten in der Stammzellnische identifiziert werden: die Stammzellen, die Stromazellen, die extrazelluläre Matrix, die Blutgefäße und die Neuronen. Verlassen die Zellen die Nische, so beginnen sie sich zu spezialisieren.

Adulte Stammzellen sorgen also für den nötigen Nachschub neuer Zellen, wenn im Gewebe Zellen absterben und ersetzt werden müssen. Zu finden sind adulte Stammzellen nicht nur in Organen mit hoher Erneuerungsrate, wie z.B. im Blut, in der Haut und im Darm, sondern auch in Organen mit einer bescheidenen Regenerationsfähigkeit, wie im Gehirn.

Eine besonders reiche und gut zugängliche Quelle für adulte Stammzellen ist das Nabelschnurblut von Neugeborenen sowie das Knochenmark, aus dem die Blutstammzellen und die mesenchymalen Stammzellen (die Vorläuferzellen für Knorpel-, Fett- und Knochengewebe) gewonnen werden können.

Weiterführende Literatur

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5. Organersatz und -transplantation aus Stammzellen

Durch verschiedenste Krankheiten geschädigte Organe können heutzutage operativ gegen Spender-Organe ausgetauscht werden – jedoch können von den zum Beispiel ca. 12.000 wartenden PatientInnen in Deutschland nur ca. ein Drittel auch mit Spenderorganen versorgt werden. Viele auf Transplantation wartende Patienten sterben.

Die Forschung hat das große Ziel, mittels des sogenannten „Tissue engineering“, auf Deutsch der „Gewebekonstruktion“, die Möglichkeit zu entwickeln, vielleicht irgendwann einmal ganze funktionierende und transplantierbare Organe zu züchten. Aber auch die Züchtung von organspezifischen funktionstüchtigen Gewebeteilen ist schon ein medizinischer Gewinn und auch regenerative Stammzellentherapien können vielen Patienten helfen.

https://www.planet-wissen.de/gesellschaft/medizin/organverpflanzung/pwieorganezuechten100.html

Der folgende ZEIT-Artikel berichtet über aktive Forschungsprojekte in den USA und Japan: es handelt sich um Tierversuche mit Schweinen, Ratten und Mäusen, bei denen eine Reihe von Stammzellenexperimenten mit dem Ziel der Organ- und Gewebe-Zucht zu unterschiedlichem Erfolg führten. Die Möglichkeit, die Experimente mit induzierten pluripotenten Stammzellen (kurz: iPS) durchzuführen, umgeht die ethisch schwierigere Nutzung embryonaler Stammzellen.

http://www.zeit.de/wissen/gesundheit/2017-01/stammzellenforschung-gentechnik-maeuse-zuechtung-bauchspeicheldruese-spenderorgane-transplantation/komplettansicht

Aus dem Jahr 2015 stammt ein Übersichtsartikel über den Stand der biotechnischen Forschung zum Tissue engineering. „Gewebe oder Organe, die Defektes ersetzen“ steht in der Überschrift und tatsächlich gibt es viele Möglichkeiten:

http://www.zeit.de/2015/33/biotechnologie-organe-zuechten-tissue-engineering/komplettansicht

In einem kurzen Artikel des Deutschen Ärzteblattes aus dem Jahr 2002 wird zusammengefasst, welche Möglichkeiten sich aus der gezielten Kultivierung menschlicher Stammzellen im Labor ergeben. Darunter auch das Tissue engineering.

„Mit einem Mal scheinen Visionen zum Greifen nahe: neue Neuronen für Parkinson-Patienten, Nervenzellersatz für Opfer eines Schlaganfalles und des Hirnabbaus, Herzmuskelgewebe nach Infarkt und bei Herzinsuffizienz, Leberzellersatz bei Leberversagen, Hautzellen für Brandverletzte und vieles mehr.“

Im Abschnitt „Möglichkeiten der Therapie“ werden folgende praktizierte Anwendungen genannt:

  • Organersatz und Knochenmarkersatz
  • Organersatztherapie durch Stammzelltherapie
  • Organersatz durch Tissue-Engineering
  • Tumortherapie mit Stammzellen
  • Gewinnung von Nabelschnur- und adulten Stammzellen

https://www.aerzteblatt.de/pdf.asp?id=33821

Im Laborjournal wird berichtet, wie aus pluripotenten Stammzellen bzw. aus induzierten pluripotenten Stammzellen sogenannte Organoide gezüchtet werden können, wie man dabei technisch im Labor vorgeht, wie man die sich weitgehend selbst organisierenden Zellen beim Wachstum unterstützen kann und wo die Grenzen der Reproduzierbarkeit voll funktionsfähiger Organe sind.

Da der Artikel aus dem Jahr 2017 stammt, spiegelt er gut den aktuellen Stand der biotechnischen Forschung wider. Aktuell ist die Züchtung von Organoiden mit Anschlussmöglichkeiten an den Blutkreislauf noch nicht möglich. Allerdings: Mäusen implantiertes, aus Stammzellen gezüchtetes menschliches Lebergewebe „funktionierte“ und es bildeten sich sogar gefäßartige Strukturen.

http://www.laborjournal.de/rubric/methoden/methoden/v182.lasso

Auch ein großer Erfolg wurde im Jahr 2015 erzielt, als es Forschern gelang, eine „primitive“ Niere aus Stammzellen zu züchten.

https://www.welt.de/gesundheit/article147398911/Forscher-zuechten-Niere-aus-Stammzellen.html

Auch ein funktionierendes Herz konnte bereits gezüchtet werden, jedoch: „obwohl das schlagende Herz aus der Laborzucht als wissenschaftlicher Durchbruch gewertet werden darf, ist es heute noch immer nicht möglich, in Bedarfsfällen individuell passende Herzen aus eigenen Stammzellen herzustellen.“

https://www.wired.de/collection/science/forscher-zuechten-ein-schlagendes-herz-voller-groesse-im-labor

Ein sehr informativer Film (der auch die Grundlagen der Begrifflichkeiten verschiedener Stammzellen erklärt) illustriert die praktischen regenerativen Methoden, mittels derer mit Stammzellen erkranktes Gewebe therapiert sowie aber auch Gewebe und auch (Teil-)Organe gezüchtet werden können:

https://www.arte.tv/de/videos/061317-004-A/neue-organe-aus-stammzellen/

Was macht man eigentlich mit den aus Stammzellen gezüchteten Organoiden, die jedoch keine transplantierbaren und schon gar keine voll funktionstüchtigen Organe sind? Der niederländische Biologe und Mediziner Prof. Clevers hat die künstliche Vermehrung von Stammzellen ein großes Stück weiter gebracht und dieses organoide Gewebe kann zum (tierversuchsfreien) Test von Medikamenten und auch zur Heilung schadhafter Organe genutzt werden.

https://www.aerztezeitung.de/medizin/med_specials/grundlagenforschung/article/918798/mini-organe-grosser-stueckzahl-zuechten-koerberpreis-stammzellenforscher.html

Eine Broschüre des Fraunhofer Institutes für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) stellt in diesem Sinne Potentiale gezüchteter Gewebematerialien dar: „Humane organoide dreidimensionale Testsysteme – Alternativen zum Tierversuch“:

https://www.igb.fraunhofer.de/content/dam/igb/de/documents/broschueren/zte/1711-BR_zs-3dtest_de.pdf

Auf den Seiten des Bundesministeriums für Bildung und Forschung wird auf den Info-Seiten des Bio-Technikums im Kapitel „Zellen und Gewebe im Fokus neuer Therapien“ (https://www.biotechnikum.eu/inhalte/gesundheitswirtschaft/regenerative-medizin/) auch auf ein Kapitel weiter verlinkt, in dem die Möglichkeiten erörtert werden, wie man Krankheiten, die Gewebe unwiederbringlich zerstören, auch z.B. durch Tissue Engineering behandeln kann.

https://www.biotechnikum.eu/inhalte/gesundheitswirtschaft/regenerative-medizin/tissue-engineering/

Zur stammzellen-unterstützten Behandlung von makuladegenerativen Erkrankungen sind folgende Artikel aufschlussreich:

https://www.wissensschau.de/stammzellen/embryonale_stammzelltherapie_makuladegeneration.php

http://www.spiegel.de/wissenschaft/medizin/stammzellen-ips-zellen-bei-frau-mit-makuladegeneration-eingesetzt-a-991635.html

http://www.pro-retina.de/newsletter/2015/amd-experimentelle-stammzell-therapie-in-england

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6. Stammzellen und Genome Editing

Aus einer Pressemitteilung der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg zur interdisziplinären Tagung: „Stammzellen – iPS-Zellen – Genom-Editierung“:

„Mit gezielten Eingriffen in das menschliche Erbgut oder mit umprogrammierten Stammzellen lassen sich womöglich bisher unheilbare Krankheiten therapieren. Doch ist alles, was möglich ist, auch ethisch vertretbar und erlaubt?“
http://pressemitteilungen.pr.uni-halle.de/index.php?modus=pmanzeige&pm_id=2737

„Neue molekularbiologische Methoden, die gezielte Eingriffe in das Erbgut erlauben, eröffnen vielversprechende Möglichkeiten in Forschung und Anwendung. Die unter den Begriffen Genome Editing und Genomchirurgie bekannten Verfahren machen jedoch auch eine gesamtgesellschaftliche Diskussion über ethische und rechtliche Fragen notwendig. Dies gilt insbesondere im Hinblick auf die Forschung an humanen Zellen.

Die Forschung an menschlichen Embryonen ist in Deutschland durch das Embryonenschutzgesetz verboten. Das Gesetz, das 2011 zuletzt geändert wurde, deckt allerdings nicht alle Fragen ab, die die neuen Methoden der Genomchirurgie aufwerfen.

Um die Diskussion zu diesem Themenkomplex in Deutschland zu fördern, hat eine interdisziplinär besetzte Expertengruppe der Nationalen Akademie der Wissenschaften Leopoldina das Diskussionspapier „Ethische und rechtliche Beurteilung des genome editing in der Forschung an humanen Zellen“ verfasst“ (Zusammenfassung auf der Leopoldina-Webseite):
https://www.leopoldina.org/uploads/tx_leopublication/2017_Diskussionspapier_GenomeEditing.pdf

Beitrag des Bayrischen Rundfunks zu einem auf Stammzellen basierenden Heilungsansatz für Sichelzellen-Krankheit:

„Im Oktober 2016 veröffentlichte Mark DeWitt und seine Kollegen von der University of California in Berkeley eine Studie, nach der es ihnen gelungen sei, den Gendefekt der Sichelzellen-Krankheit bei menschlichen Blutzellen zu reparieren. Mithilfe der Genschere ersetzten sie die krankmachende Mutation durch die korrekten DNA-Basen.

Damit die Gentherapie einem Patienten hilft, müssen die reparierten Blutstammzellen wieder in den menschlichen Blutkreislauf gebracht werden. Dies haben die Wissenschaftler zunächst an Mäusen erfolgreich ausprobiert. Erste klinische Studien am Menschen könnten innerhalb der nächsten fünf Jahre erfolgen, wie die Forscher berichteten“:
https://www.br.de/themen/wissen/genome-editing-crispr-cas-genschere-keimbahntherapie-100.html

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7. Embryonenschutzgesetz und Stammzellgesetz

Das Thema Embryonenschutzgesetz (EschG) und Stammzellgesetz (StZG) wurde auch in Sendung 05 und Sendung 08 behandelt. Dort finden Sie ebenfalls Zusatzmaterialien zu diesem Thema.

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Zusatzmaterialien als PDF zum Herunterladen

Die Materialien wurden zum Zugriffszeitpunkt 08.02.2018 erstellt von:
Volker Mosbrugger, Sybille Roller, Francesco Lupusella, Rebecca Spitzenberger