Können Stammzellen Leben retten?
Stammzellen lenken immer mehr Aufmerksamkeit auf sich und sind besonders zukunftsträchtig für Medizin und Forschung. Sie werden seit langem kontrovers diskutiert und wieder einmal steht die Wissenschaft zwischen Moral und Fortschritt.
Was sind Stammzellen?
Stammzellen sind sozusagen Urzellen, aus denen alle anderen Zellen eines Organismus hervorgehen. Sie selbst entstehen aus einer befruchteten Eizelle, einer Zygote. Ihr hohes Potenzial zeigt sich bereits in unserer Existenz, da wir selbst alle unseren Ursprung in einer Stammzelle haben. Stammzellen sind noch nicht ausdifferenziert, das bedeutet, dass noch nicht festgelegt ist, zu welchem Zelltyp sie sich entwickeln.
Wenn sich Stammzellen teilen, bilden sie entweder zwei neue Tochterstammzellen oder sie teilen sich asymmetrisch in eine Tochterstammzelle und eine sogenannte Progenitorzelle. Das ist eine Vorläuferzelle, die sich dann noch weiter spezialisiert und z.B. rote Blutkörperchen bildet. Dieser Teilungsprozess ist allerdings noch nicht genau erforscht. Theoretisch können sich Stammzellen unbegrenzt vermehren, das haben sie jedenfalls in vitro (im Reagenzglas) gezeigt. Der Grund dafür ist das Enzym Telomerase. Es verlängert nach einer Teilung die Telomere an den DNS-Enden der Stammzellen. Bei unseren Körperzellen verkürzen sich die Telomere mit jeder Teilung, was letztendlich den Alterungsprozess bewirkt. Auch bei Klonen sind es die Telomere, die ihre Lebensdauer auf dieselbe Zeitspanne beschränken, die dem Ausgangstier zum Zeitpunkt der Zellentnahme noch zur Verfügung stand. Stammzellen hingegen ist es möglich, sich ohne zu altern zu vermehren. Ihre anfänglich hohe Teilungsaktivität lässt jedoch unter natürlichen Bedingungen relativ schnell auch wieder nach.
Bezüglich ihres Potenzials muss man Stammzellen allerdings noch nach ihrem ontogenetishen Alter, also der Entwicklungsphase, in der sie sich befinden, unterscheiden.Grundsätzlich unterscheidet man embryonale und adulte Stammzellen.
Zellen bis zum Achtzellenstadium, d.h. bis zur dritten Teilung nach der Befruchtung, nennt man totipotent (lat: "toti" = alles, "potent" = fähig), auf Gutdeutsch daher auch Alleskönner. Wie ihr Name schon vermuten lässt, können diese Stammzellen jeglichen anderen Zelltyp hervorbringen. Doch noch viel wichtiger, aus ihnen kann ein ganzer Mensch entstehen.
Anders ist es bei den Zellen nach der dritten Teilung. Man gewinnt diese embryonalen Stammzellen aus einer Blastocyste (32-Zellstadium). Die innere Zellmasse, auch Embryoblast genannt, enthählt dann pluripotente Stammzellen. Diese kann man dann kultivieren und aus ihnen bestimmte Zelltypen Züchten. Mit Hilfe geeigneter Nährmedien können so beispielsweise Nerven-, Haut- oder Muskelzellen heranwachsen. Wenn man die kostbaren Stammzellen aus einer Blastocyste gewinnt, wird diese allerdings zerstört und damit auch ein zukünftiger Mensch. Das ist der Grund für die Debatte um die Forschung mit Stammzellen. Dabei geht es übrigens nur um pluripotente Stammzellen. Die Forschung an totipotenten Stammzellen ist strikt verboten. Der Grund dafür ist, dass wenn man eine totipotente Zelle aus ihrem Zellverband entnimmt, man praktisch einen Klon erschaffen würde. Denn diese totipotente Zelle hat schließlich auch die Fähigkeit einen ganzen Menschen hervorzubringen. Und da dieser das gleiche Erbgut hätte, wie der Bruder aus den restlichen Zellen wäre er ein Klon. Das ist übrigens das gleiche Prinzip wie eineiige Zwillinge entstehen, nur dass die Separation einer Stammzelle auf natürlichem Wege erfolgt.
Generell kann man sagen, dass embryonale Stammzellen alle Zellen der sogenannten drei Keimblätter bilden können. Nach der Gastrulation (Einnistung der Zygote) entscheidet der Aufenthaltsort der Zellen über ihren ungefähren Werdegang. So gibt es Zellen der äußeren Zellschicht (Ectoderm), das wären Haut-, Pigment- aber auch Nervenzellen (Neurone). Die innere Zellschicht (Endoderm) bilden Lungen-, Schilddrüsen- oder Pankreaszellen (Zellen der Bauchspeicheldrüse). Die mittlere Zellschicht (Mesoderm) besteht aus Herz-, Skelett- oder generell Muskelzellen, Leberzellen oder Erythrozyten (rote Blutkörperchen). Die Keimzellen, d.h. Ei- und Samenzelle werden bereits relativ früh separiert.
Aber auch als erwachsener Mensch besitzen wir alle unser Leben lang Stammzellen in uns. Diese nennt man adulte Stammzellen. Sie sind gegenüber den embryonalen Stammzellen in ihrem Potenzial stärker eingeschränkt. Sie befinden sic in über 20 verschiedenen Organen bzw. Geweben, wie beispielsweise im Gehirn, in der Haut, im Knochenmark, in der Pankreas und im Herzen. Im Knochenmark gibt es zum Beispiel Stammzellen, die entweder in Zellen des hämatopoetischen Systems oder des Immunsystems ausdifferenzieren können. Erythrocyten haben eine durchschnittliche Lebenserwartung von 120 Tagen, Thrombocyten gerade einmal acht bis zwölf Tage. Daher benötigt unser körper dringend Nachschub und den liefer die Stammzellen. Zunächst bilden sie durch asymmetrische Zellteilung eine myeloide Vorläuferzelle, die dann wiederum Thrombocyten, Erythrocyten, Granulocyten oder Monocyten hervorbringt. Aus letzteren können dann noch einmal Untergruppen entstehen, wie z.B. dendritische Zellen. Der andere Weg läuft über eine lymphatische Vorläuferzelle, die zu weißen Blutkörperchen, d.h. T-Lymphocyten (Gedächtniszellen usw.), B-Lymphocyten (bilden z.B. Antikörper) oder zu Killerzellen ausdifferenziert. Pro Tag werden so rund 200 Milliarden rote Blutkörperchen produziert.
Wie werden Stammzellen gewonnen?
Es gibt verschiedene Wege, um Stammzellen zu erhalten. Bei In-Vitro-Fertilisationen (künstliche Befruchtung im Reagenzglas) wird üblicherweise nur eine befruchtete Eizelle der werdenden Mutter implantiert. Die übrigen Ebryonen werden mit Zustimmung der Eltern zur Stammzellspende freigegeben, wobei die Embryonen abgetötet und die Stammzellen tiefgekühlt gelagert werden.
Eine weitere Mäglichkeit bieten fünf- bis neunwöchige Embryonen bzw. Föten (ab neun Wochen spricht man meist von Fötus oder auch Fetus) nach Abort, d.h. durch Abtreibung oder auch vom Körper selbst abgestoßene Embryonen. Einen neuen 'Rohstoff' für die Medizin stellt das Nabelschnurblut dar. In ihm befinden sich noch in hoher Konzentration embryonale Stammzellen. Viele Menschen lassen die Stammzellen ihrer Kinder für die Zukunft aufbewahren, denn man weiß nie, ob man sie nicht noch einmal gebrauchen kann. Es ist beispielsweise auch schon gelungen, einen an Leukämie (auch Blutkrebs genannt, starke Überproduktion von weißen Blutkörperchen und damit einhergehende schwere Folgen) erkrankten Jungen dank seines kleinen Bruders zu retten. Denn als der kleine Bruder geboren wurde, konnte man aus dessen Nabelschnurblut Stammzellen gewinnen und für die Produktion gesunder Blutkörperchen verwenden. Der Bruder konnte schließlich geheilt werden.
Außerdem lassen sich auch adulte Stammzellen gewinnen. Zum Beispiel aus dem Knochenmark. Diese Methode erfordert allerdings einen operativen Eingriff. Einfacher ist es durch eine Blutspende, durch die neuerdings auch Stammzellen gewonnen werden können. 2004 wurde die erste Stammzellen-Bank im National Institute for Biological Standards and Control in Hertfordshire, Großbrittanien, eröffnet. Mittlererweile gibt es sogar mehrere neue. Zu guter letzt gibt es noch eine heikle und in Deutschland strikt verbotene Variante: das therapeutische Klonen.
Beim therapeutischen Klonen ist die Vorgehensweise ebenso wie beim Klonen selbst. Zunächst wird eine gespendete Eizelle entkernt, sodass sie keine Erbinformationen mehr besitzt. Dann entnimmt man beispielsweise einem Patienten, der einen Herzinfarkt erlitten hat, eine Hautzelle und schleust ihren Nucleus (Zellkern) in die gespendete Eizelle ein. Dadurch wird der Zellkern sozusagen in einen embryonalen Zustand zurückversetzt und beginnt sich wie eine Zygote zu verhalten und zu teilen. Ist die Balstocyste erreicht, wird der Embryoblast entnommen und durch Kultivierung auf geeigneteten Nährböden können Herzmuskelzellen gebildet werden. Diese werden dem Patienten schließlich eingesetzt. Man kann auch Vorläuferzellen direkt implantieren, die dann in die benötigten Zelltypen ausdifferenzieren und den Körper darin unterstützen Herzmuskelzellen aufzubauen. Ohne die eingesetzten Stammzellen reagieren die bereits vorhandenen Stammzellen merkwürdigerweise nicht auf die Störung. Besonders günstig beim therapetischen Klonen ist, dass Patienten mit so gut wie körpereigenem Material behandelt werden können. Die fast identische genetische Information dieser Zellen schließt das Risiko einer Immunantwort aus. Implantiertes Gewebe, das von einer anderen Person stammt, kann vom Immunsystem als Fremdkörper und damit als Gefahr für den eigenen Organismus erkannt werden. Es startet daher eine Immunreaktion und versucht das fremde Material abubauen. Dies wird mit dem therapeutischen Klonen umgangen und es würden sich mehr Leben retten lasen, indem die Wartezeiten auf ein geeignetes Spenderorgan verkürzt würden, weil man sich innerhalb weniger Wochen seine 'eigene zweite Niere' züchten könnte. Daher unterscheidet man die Begriffe autolog (genetisch identisch, also praktisch körpereigenes Material) und allogen (von einem genetisch differenten Spender). Dies sind auch generell wichtige Faktoren bei der Gentherapie
Was ist Gentherapie?
Die Gentherapie zielt darauf ab, erkrankte Zellen oder Zellen, die von einer Mutation betroffen sind, anhand gesunder Gene zu therapieren. Dabei gibt es wiederum zwei Mehtoden. Die in-vivo-Methode erfolgt innerhalb des Körpers, die ex-vivo-Methode größtenteils außerhalb des Körpers.
Bei dem in-vivo-Gentransfer bedient man sich eines viralen Vektors, d.h. man benutzt ein Virus als Transportmittel. Dieses wird zunächst unschädlich gemacht, indem man die virale DNA entfernt. Somit kann es sich im menschlichen Organismus nicht vermehren. Stattdessen wird das Gen, das den Zellen des Patienten fehlt, in die Virus-DNA eingebaut. Bestimmte virale Gene müssen zudem erhalten bleiben, damit das intakte therapeutische Gen in der Zelle aktiv werden kann. Als Vektor dienen z.B. Adenoviren. Das sind Erkältungsviren, die vom Patienten ihnaliert werden und die Zellen der Atemwege befallen. Dabei schleusen sie ihre DNA in die Zellen ein. Das intakte Gen kann dort nun in aktiv werden. Die Behandlung mit Adenoviren birgt jedoch auch Nachteile. Da Adenoviren ihre DNA lediglich in die Zelle einschleusen, liegt auch intakte Gen nur im Zellplasma vor und kann bei einer Zellteilung nicht auf die Tochterzellen übertragen werden. Daher wäre nach ca. drei Monaten eine wiederholte Behandlung erforderlich. Neben den Unannehmlichkeiten für den Patienten hat das Immunsysem des Patienten dieses Virus bereits einmal bekämpft und T-Gedächtniszellen angelegt. Somit könnte das Immunsystem wesentlich schneller eine Immunreaktion starten und das Virus mitsamt des therapeutischen Gens versuchen abzubauen, noch bevor es überhaupt das intakte Gen in die Zelle einschleusen kann. Folglich müsste man bei jeder Behandlung ein neues Virus verwenden.
Abhilfe schaffen daher Retroviren. Unter normalen Umständen bauen sie ihre DNA direkt in die DNA der Wirtszelle ein und programmieren sie zur Bildung neuer Viren um. Vor der Behandlung mit Retroviren werden auch diese daher natürlich unschädlich gemacht. Infizieren sie jedoch Zellen, wird das therapeutische Gen direkt in die DNA der befallenen Zellen eingebaut und kann somit auf nachfolgende Tochterzellen übertragen werden. Retroviren haben den Nachteil, dass es bei der Behandlung zu einer Lungenentzündung kommen kann. Das hätte für Patienten mit einer Immunschwäche schwerwiegende Folgen. Daher hat man beim ex-vivo-Gentransfer die Infektion mit den Viren nach außerhalb, ins Reagenzglas verlegt. Nach einem dreijährigen Genehmigungsverfahren wurde 1990 die vierjährige Ashanti DeSilva als erste mit diesem Verfahren therapiert. Sie litt an einem Gendefekt, der eine schwere und seltene Immunschwäche hervorruft, genannt SCID (severe combined immunodeficiency). Ihr Körper konnte das Enzym Adenosindesaminase nicht bilden, weswegen ihre T-Lymphocyten noch bei der Bildung im Knochenmark abstarben. Dies hatte zur Folge, dass sich ihr Körper nicht gegen Infektionen zur Wehr setzen konnte. Bereits eine Erkältung hätte womöglich lethale Folgen gehabt. Man entahm ihrem Körper T-Lymphocyten und kultivierte sie gemeinsam mit ebenfalls gentechnisch veränderten Viren, die ein therapeutisches Gen besaßen und in ihre DNA einschleusten. Die Zellen, die nun wirklich das intakte Gen aufwiesen, wurden selektiert, vermehrt und der Patientin schließlich wieder injiziert. Leider ist in diesem Fall wiederum eine regelmäßige Behandlung erforderlich, da sich T-Lymphocyten nicht durch Zellteilung vermehren, sonder im Knochenmark gebildet werden.
Dank des Wissens um die Stammzellen, konnte diese Behandlungsmethode etwas ausgeweitet und nachhaltiger gestaltet werden. Bei der Stammzelltherapie werden Stammzellen aus dem Knochenmark entnommen und kultiviert. Natürlich werden auch sie mit einem Virus infiziert, sodass ihnen das therapeutische Gen in ihre DNA eingebaut wird. Man selektiert die gesunden Stammzellen und vermehrt sie, während die fehlerhaften Stammzellen im Knochenmark durch Bestrahlung abgetötet werden. Schließlich werden die gesunden Stammzellen reimplantiert und können nun gesunde Zellen bilden. Damit wird das Problem an der Wurzel gepackt und eine erneute Behandlung umgangen.
Die Therapie der Keimbahnzellen ist dagegen in wenigen Ländern erlaubt. Sie öffnet die Tür zum 'Menschen nach Maß' und ist daher stark umstritten.
Bei diesem Verfahren wird eine Eizelle günstigerweise in vitro befruchtet. Die Zygote teilt sich nun. Jedoch lässt man sie sich nicht mit ihrem natürlichen Genom entwickeln, sondern entnimmt ihr eine Zelle im totipotenten Stadium und pflanzt dieser ein Gen ein. Man lässt nun diese einzelne Zelle sich teilen und entwickeln und pflanzt das so entstandene neue Embryo mit den gewünschten Genen einer Frau ein. An dieser Stelle sei der Film GATTACA erwähnt, der in einer erschreckenden Zukunftsvision zeigt, dass die meisten Menschen künstlich erzeigt werden und die Eltern über Aussehen und Eigenschaften der Kinder bestimmen können. Es wird also nichts mehr dem Zufall überlassen, der doch eigentlich das Grundgerüst der Evolution bildet. Es wäre moralisch sehr fragwürdig, wenn man darüber verfügte, welche Augen- Hauut- oder Haarfarbe ein Kind bekommen soll. Daher ist die Therapie der Keimbahnzellen strikt verboten (nicht in allen Ländern). Sie eher in seltenen Fällen Anwendung, wenn beispielsweise zwei Menschen, bei denen die Bluterkrankheit homozygot vorliegt, ein Kind bekommen möchten. Man könnte dem Embryo das defekte Gen durch ein intaktes Gen ersetzen und somit die Krankheit umgehen. Versuche mit Mäsuen haben jedoch eher wenig vielversprechende Ergebnisse erzielt. Die Erfolgsrate der Keimbahnzellentherapie mit Mäusen liege laut Entwicklungsbiologin Prof. Christiane Nüsslein-Volhard bei 1:100.
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Andere Forschungsbereiche versprechen dagegen mehr Erfolg. So erhofft man sich beispielsweise in der Behandlung von Demenz, Parkinson, Diabetes mellitus, Herzinfarkt und sogar Querschnittslähmung Fortschritte mit Stammzellen zu machen. Aus Stammzelllinien, d.h. einer Reihe von Stammzellen, die alle aus derselben Ursprungszelle stammen und daher genetisch fast identisch sind, werden Organe gezüchtet, die zu Testobjekten für die Behandlung mit Medikamenten werden. Der entscheidende Vorteil liegt darin, dass die gleichen Medikamente unter immer gleichen Bedingungen getestet werden können. Man könnte daher eventuell sogar auf Tests mit Ratten verzichten, denn selbstgezüchtete menschliche Organe können einen genaueren Aufschluss über die Behandlung von Kankheiten beim Menschen geben, als die Testergebnisse von Tierversuchen.
Im Fall der Multiplen Sklerose sind kleine Erfolge bereits gelungen. Es handelt sich bei dieser Krankheit um eine Myelinerkrankung (der isolierende Mantel, der viele Neurone umgibt und die Übertragungsgeschwindigkeit von Impulsen erhöht) im Zentralen Nervensystem. Bei der Behandlung wurden aus Stammzellen Progenitorzellen gezüchtet und in das Zentrale Nervensystem implantiert. Dort sind die Vorläuferzellen zu spezifischen Zellen ausdifferenziert, die dann den Myelinaufbau untersützen. Jedoch gibt es auch Hindernisse auf der Genleiter. Zum einen wäre dort die Immunogenität des Materials, zum anderen kam es nach der Transplantation vermutlich aufgrund der hohen Teilungsaktivität der Stammzellen zu Tumorbildungen, die ein hohes Risiko für den Patienten darstellen.
Trotz mancher Schwierigkeiten besteht neuerdings die Hoffnung zumindest die moralische Debatte um das Nehmen von Menschenleben zu umgehen. So ist es 2007 Forschergruppe aus den USA und Japan erstmals gelungen aus einer normalen Hautzelle unter Einschleusung von vier embryonales Genen eine Stammzelle zu gewinnen. Durch die Gene wird die Hautzelle zur sogenannten iPS-Zelle umprogrammiert, es steht für induced pluripotent stem cell. Diese Technik würde keinen gezeugten Embryo mehr erfordern und trotzdem die Forschung mit Stammzellen ermöglichen. Doch einen Nachteil gibt es auch hierbei, denn je mehr Gene in eine Zelle hinzugefügt werden, desto höher ist das Krebsrisiko. Und das ist bei vier zusätzlichen genen bereits sehr hoch. Jüngst ist es Forschern aus Münster jedoch gelungen auch dieses Problem aus dem Weg zu räumen. Denn 2009 konnten sie das gleiche Ergebnis mit nur einem embryonalen Gen, Oct-4, erzielen. Aus diesen iPS-Zellen lassen sich wie aus normalen Stammzellen wieder allerhand Gewebe züchten und für Forschung und Medizineinsetzen. Kommen wir nun etwa dem Molch immer näher und lassen bald verlorene Gliedmaßen einfach wieder nachwachsen? Sicher ist, das man nun den Zusammenhängen immer mehr auf der Spur ist und an der Heilung vieler Krankheiten arbeitet. Und das steht wahrscheinlich im gemeinsamen Interesse.