Neue Durchbrüche in der Stammzellforschung: Von Laborergebnissen zu Patientenapplikationen

Inhaltsverzeichnis

• Wichtige Punkte
• Einleitung
• Quellen pluripotenter Stammzellen
• Embryonale Stammzellen (ESCs)
• Sehr kleine embryonale Stammzellen (VSELs)
• Stammzellen aus Kerntransfer (NTSCs)
• Reprogrammierte Stammzellen (RSCs)
• Adulte Stammzellen
• Klinische Anwendungen und zukünftige Richtungen
• Ethische Überlegungen
• Häufig gestellte Fragen
• Quelleninformationen

Wichtige Punkte

• Stammzellen können sich selbst erneuern und sich in spezialisierte Zelltypen aus allen drei Keimblättern differenzieren.
• Es gibt fünf Haupttypen von Stammzellen: embryonale, VSELs, Stammzellen aus Kerntransfer, reprogrammierte und adulte Stammzellen.
• Induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) können aus adulten Zellen wie Urinproben gewonnen werden.
• Stammzellen aus Kerntransfer wurden zur Klonung von Primaten eingesetzt, was die Krankheitsforschung unterstützt.
• Für Netzhaut- und Rückenmarkstransplantationen mit Stammzellen laufen derzeit klinische Studien.

Einleitung

Die Stammzellforschung hat sich in den letzten 20 Jahren revolutionär verändert, wobei die Fortschritte im vergangenen Jahrzehnt besonders schnell voranschritten. Dieses Feld begann im Jahr 1961, als kanadische Forscher, Dr. James A. Till und Dr. Ernest A. McCulloch, erstmals Stammzellen im Knochenmark von Mäusen entdeckten, die sich in verschiedene Zelltypen differenzieren können, wodurch das Konzept der pluripotenten Stammzellen (PSCs) etabliert wurde – Zellen, die zu jedem beliebigen Zelltyp des Körpers werden können.

Das Feld erreichte mehrere entscheidende Meilensteine: Im Jahr 1996 wurde das Schaf Dolly durch somatischen Zellkerntransfer (SCNT) geklont, 1998 wurden die ersten humanen embryonalen Stammzellen (hESCs) isoliert, und induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) wurden im Jahr 2006 durch Reprogrammierung adulter Zellen mit nur vier Transkriptionsfaktoren erzeugt. Die Bedeutung dieser Entdeckungen wurde anerkannt, als Shinya Yamanaka und John Gurdon für ihre Arbeit, die zeigte, dass reife Zellen in einen pluripotenten Zustand zurückprogrammiert werden können, den Nobelpreis 2012 erhielten.

Forscher haben durch systematische Überprüfung fünf Hauptkategorien von Stammzellen identifiziert: embryonale Stammzellen (ESCs), sehr kleine embryonale Stammzellen (VSELs), Stammzellen aus Kerntransfer (NTSCs), reprogrammierte Stammzellen (RSCs) und adulte Stammzellen. Jeder Typ bietet einzigartige Vorteile und Herausforderungen für klinische Anwendungen. Nur NTSCs wurden verwendet, um einen vollständigen Organismus zu erzeugen (Affens in China, 2018), während andere Typen zur Erzeugung von Geweben und Organen genutzt wurden.

Stammzellen, insbesondere ESCs und iPSCs, zeigen enormes Potenzial in vier großen Bereichen: regenerativer Medizin und Transplantationsmedizin, Krankheitsmodellierung, Wirkstoffforschung und -screening sowie der Biologie der menschlichen Entwicklung. Das Feld entwickelt sich weiterhin von den ersten Entdeckungen hin zu expandierenden klinischen Anwendungen, wobei Herausforderungen bestehen bleiben – insbesondere hinsichtlich der Kontrolle der Zellproliferation und Differenzierung, da die iPSC-Reprogrammierungstechnologie noch relativ neu ist.

Quellen pluripotenter Stammzellen

Pluripotente Stammzellen (PSCs) zeichnen sich durch zwei wesentliche Eigenschaften aus: Selbst-Erneuerung (Fähigkeit zur Proliferation) und Potenz (Fähigkeit, sich in spezialisierte Zelltypen zu differenzieren, die von einer der drei primären Keimblätter abgeleitet sind: Ektoderm, Entoderm oder Mesoderm). Forscher verwenden drei Hauptassays, um die Pluripotenz in Mausmodellen zu testen.

Der Teratombildungsassay bewertet die spontane Entstehung differenzierter Gewebe aus allen drei Keimblättern nach der Transplantation von Zellen in immunsupprimierte Mäuse. Der Chimärenbildungsassay prüft, ob Stammzellen zur Entwicklung beitragen, indem sie in frühe Embryonen (2N-Blastozysten) injiziert werden und überprüft wird, ob Spenderzellen eine Keimbahn-Übertragungsfähigkeit besitzen, funktionelle Gameten erzeugen und die chromosomale Integrität bewahren. Der Tetraploid-Komplementationsassay bestimmt die Fähigkeit pluripotenter Zellen innerhalb eines gesamten Organismus, indem Zellen in 4N-Embryonen injiziert werden und die Wachstumsstadien auf extraembryonale Linien überwacht werden, die von den transplantierten Stammzellen und nicht vom Embryo selbst resultieren.

Embryonale Stammzellen (ESCs)

Humane embryonale Stammzellen (hESCs) werden aus Blastozysten im frühen Stadium (4–5 Tage nach der Befruchtung) gewonnen, entweder durch Zerstörung der Quellblastozyste oder durch Entnahme von Geweben in späteren Stadien (bis zu einem Schwangerschaftsalter von 3 Monaten). Diese waren die ersten Stammzellen, die in Forschungsanwendungen eingesetzt wurden, und werden bis heute häufig in klinischen Studien verwendet (wie auf clinicaltrials.gov verfolgt).

hESCs gelten als Goldstandard für Pluripotenz, sind jedoch mit ethischen Bedenken hinsichtlich der Zerstörung von Embryonen und potenziellen Problemen der Immunabstoßung bei der Transplantation in Patienten verbunden. Trotz dieser Herausforderungen liefern sie weiterhin wertvolle Einblicke in die Entwicklungsbiologie und dienen als wichtige Vergleichswerte für neuere Stammzelltechnologien.

Sehr kleine embryonale Stammzellen (VSELs)

Eine neuartige Art pluripotenter Stammzellen, die sehr kleinen embryonalen Stammzellen (VSELs), hat seit ihrer Identifizierung im Jahr 2006 Potenzial gezeigt. Über 20 unabhängige Labore haben ihre Existenz bestätigt, obwohl einige Gruppen ihre Gültigkeit in Frage gestellt haben. Diese Zellen sind kleine Stammzellen der frühen Entwicklung, die in adultem Gewebe vorkommen und pluripotente Marker exprimieren.

VSELs messen in Mäusen etwa 3–5 Mikrometer und beim Menschen 5–7 Mikrometer (etwas kleiner als rote Blutkörperchen). Sie exprimieren ESC-Marker einschließlich SSEA, nukleärem Oct-4A, Nanog und Rex1 sowie Marker für wandernde primäre Keimzellen wie Stella und Fragilis. Ihr entwicklungsbiologischer Ursprung könnte mit Keimbahnablagerungen in sich entwickelnden Organen während der Embryogenese zusammenhängen.

Nach einem im Jahr 2019 vorgeschlagenen Modell stammen VSELs von primären Keimzellen ab und differenzieren sich in drei mögliche Schicksale: mesenchymale Stammzellen (MSCs), Hämangioblasten (einschließlich hämatopoetischer Stammzellen und endothelialer Vorläuferzellen) und gewebespezifisch festgelegte Stammzellen. Als pluripotente Stammzellen könnten VSELs den Vorteil haben, sich bei adulten Tieren oder Menschen über Keimblätter hinweg differenzieren zu können, und potenziell als Alternative zu monopotenten, gewebespezifisch festgelegten Stammzellen bei Erwachsenen fungieren.

VSELs könnten mehrere Probleme überwinden, die mit anderen Stammzelltypen verbunden sind: die ethischen Kontroversen der ESCs und das Risiko der Teratombildung (Tumor) bei iPSCs. Dies macht sie für zukünftige Stammzellstudien und klinische Anwendungen besonders vielversprechend, in denen diese Bedenken erhebliche Hindernisse darstellen.

Stammzellen aus Kerntransfer (NTSCs)

Ursprünglich im Jahr 1996 entdeckt, hat sich die Technik des somatischen Zellkerntransfers (SCNT) allmählich weiterentwickelt, um Stammzellen aus Kerntransfer (NTSCs) zu erzeugen. Dieser Prozess beginnt mit der Implantation eines Spenderkerns einer vollständig differenzierten somatischen Zelle (wie einem Fibroblasten) in eine enukleoierte Oozyte (Eizelle ohne Zellkern).

Die neue Wirtszelle löst dann die genetische Reprogrammierung des Spenderkerns aus. Zahlreiche Mitose-Teilungen dieser einzelnen Zelle in der Kultur entwickeln eine Blastozyste (etwa 100 Zellen im frühen Embryonalstadium), die letztendlich einen Organismus mit fast identischer DNA wie der ursprüngliche Organismus erzeugt – ein Klon des Kernspenders. Der Prozess kann sowohl therapeutisches als auch reproduktives Klonen erzeugen.

Dolly the Sheep (1996) war der erste erfolgreiche reproduktive Klon eines Säugetiers. Seitdem wurden etwa zwei Dutzend weitere Arten geklont. Im Januar 2018 gaben chinesische Wissenschaftler in Shanghai bekannt, erfolgreich zwei weibliche Makaken mittels fetaler Fibroblasten über SCNT geklont zu haben – die ersten Primaten, die auf diese Weise geklont wurden.

Die Erschaffung geklonter Primaten könnte die Erforschung menschlicher Krankheiten revolutionieren. Genetisch einheitliche Nicht-Mensch-Primaten könnten als wertvolle Tiermodelle für die Primatenbiologie und biomedizinische Forschung dienen, um Krankheitsmechanismen und Arzneimittelziele zu untersuchen, dabei genetische Variations-Störfaktoren zu reduzieren und die Anzahl der benötigten Labortiere zu verringern. Diese Technologie könnte mit der CRISPR-Cas9-Genomeditierung kombiniert werden, um genetisch veränderte Primatenmodelle für menschliche Erkrankungen wie Morbus Parkinson und verschiedene Krebsarten zu schaffen.

Pharmazeutische Unternehmen haben einen hohen Bedarf an geklonten Affen für Arzneimitteltests geäußert. Begeistert von dieser Aussicht hat Shanghai die Finanzierung zur Einrichtung eines Internationalen Primatenforschungszentrums priorisiert, um geklonte Forschungs-Tiertiere für den internationalen Einsatz zu produzieren. SCNT ist unter den Stammzellansätzen einzigartig, da es einen gesamten lebenden Organismus erzeugen kann und nicht nur Zelllagen, Gewebe oder Organstücke, was ihm biophysiologische funktionelle Vorteile gegenüber ESCs und iPSCs sowohl für die Grundlagenforschung als auch für die klinische Anwendung verleiht.

Reprogrammierte Stammzellen (RSCs)

Seit 2006, als Yamanaka und Kollegen erstmals induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) generierten, haben sich die Reprogrammierungstechnologien erheblich weiterentwickelt. Dies gilt insbesondere für direkte Reprogrammierungsmethoden sowohl im Labor (in vitro) als auch in lebenden Organismen (in vivo), um spezifische Gewebeliniengenerationen unter Verwendung linieneingeschränkter Transkriptionsfaktoren, RNA-Signalmodifikationen sowie kleiner Moleküle oder Chemikalien zu erzeugen.

Diese direkten Ansätze überspringen den iPSC-Schritt und liefern präzisere Zellen wie induzierte neuronale Vorläuferzellen (iNPCs), die den Zielzelllinien wie neuronalen Zellen und nachfolgenden Motoneuronen näher stehen. Reprogrammierte Stammzellen (RSCs) werden durch Anwendung beliebiger Laborverfahren zur Reprogrammierung genetischer Signale von Primärzellen abgeleitet, wobei die SCNT-Technik ausgeschlossen ist.

Um ethische und immunogene Herausforderungen im Zusammenhang mit hESCs zu überwinden, haben sich iPSCs als vielversprechende Alternative etabliert, da sie aus adulten somatischen Geweben abgeleitet werden. Quellen für humane iPSCs – darunter Blut, Haut und Urin – sind reichlich vorhanden. Da hiPSCs von individuellen Patienten gewonnen werden können, kann eine Immunabstoßung vermieden werden, wenn sie in denselben Patienten zurücktransplantiert werden (autologe Transplantation).

Forschende haben Methoden zur Gewinnung von hiPSCs aus Nierentubuluszellen entwickelt, die im Urin vorhanden sind. Ein Protokoll, das nur eine 30-ml-Urinprobe erfordert, ist einfach, relativ schnell, kosteneffektiv und universell (anwendbar auf Patientinnen und Patienten jeden Alters, Geschlechts und ethnischen Hintergrunds). Das gesamte Verfahren umfasst lediglich 2 Wochen Zellkultur und 3–4 Wochen Reprogrammierung und erzeugt hohe iPSC-Ausbeuten mit hervorragender Differenzierungspotenzial.

Über das Sendai-Virus-Transportsystem aus 200 ml sauberen Mittelstrahl-Urinproben gewonnene urindervierte iPSCs zeigten einen normalen Karyotyp (chromosomale Struktur) und wiesen in Teratombildungsassays das Potenzial auf, sich in alle drei Keimblätter zu differenzieren. Eine aus Urin isolierte Zelluntergruppe zeigte Vorläuferzellmerkmale, einschließlich der zelloberflächenständigen Expression von c-Kit-, SSEA4-, CD105-, CD73-, CD91-, CD133- und CD44-Markern, die unter Blasen-Zelllinien (Urothel, glatte Muskulatur, Endothel und Interstitium) unterscheiden können, was sie zu einer vielversprechenden alternativen Zellquelle macht.

Adulte Stammzellen

Adulte Stammzellen stellen eine weitere wichtige Kategorie von Stammzellen dar, die in verschiedenen Geweben im gesamten Körper vorkommen. Im Gegensatz zu pluripotenten Stammzellen sind diese typischerweise multipotent – sie können sich in eine begrenzte Reihe von Zelltypen differenzieren, die spezifisch für ihr Ursprungsgewebe sind.

Häufige Quellen umfassen Knochenmark, adipöses (Fett-)Gewebe, Zahnpulpa und verschiedene Organe. Mesenchymale Stammzellen (MSCs) gehören zu den am besten untersuchten adulten Stammzellen und haben vielversprechende Ergebnisse bei der Behandlung entzündlicher Erkrankungen, der Förderung der Gewebereparatur und der Modulation von Immunantworten gezeigt.

Obwohl sie weniger vielseitig sind als pluripotente Stammzellen, bieten adulte Stammzellen Vorteile wie geringere ethische Bedenken, ein niedrigeres Risiko für Tumorbildung und eine etablierte klinische Anwendung in Verfahren wie der Knochenmarktransplantation. Die Forschung untersucht weiterhin ihr volles Potenzial und ihre Wirkmechanismen.

Klinische Anwendungen und zukünftige Richtungen

Die Stammzellenforschung hat sich von der Grundlagenforschung über präklinische Studien hin zu klinischen Prüfungen in mehreren Anwendungsbereichen entwickelt. Fortschritte in Kombinationen von Reprogrammierungsfaktoren, experimentellen Methoden und der Aufklärung von Signalwegen haben zu den ersten klinischen Prüfungen für Netzhautzelltransplantationen und Rückenmarkstransplantationen beigetragen.

Das Feld beschäftigt sich weiterhin mit Herausforderungen im Zusammenhang mit der Kontrolle der Zellproliferation und -differenzierung. Forschende überprüfen systematisch methodische Themen, darunter: Induktion von Pluripotenz durch genomische Modifikationen; Konstruktion neuartiger Vektoren mit Reprogrammierungsfaktoren; Förderung der iPSC-Pluripotenz durch kleine Moleküle und genetische Signalwege; Verbesserung der Reprogrammierung durch microRNAs; Induktion und Verstärkung der iPSC-Pluripotenz durch Chemikalien; Erzeugung spezifischer differenzierter Zelltypen; und Aufrechterhaltung der iPSC-Pluripotenz und genomischen Stabilität.

Diese Themen sind entscheidend für die Maximierung der Effizienz der iPSC-Generierung und -Differenzierung im Hinblick auf die klinische Translation. Fortschritte in der Zellkultur umfassen feeder-freie Kulturen, xeno-freie Medien (Vermeidung von tierischen Produkten) sowie verschiedene mit Biomaterialien erweiterte Techniken. Drei-dimensionale (3D-)Zell- und Bioprinting-Technologien stellen besonders vielversprechende Richtungen dar, ebenso wie PSC-Ressourcen und die direkte zelluläre Reprogrammierung zweiter Generation in lebenden Organismen.

Langfristige Ziele der Stammzellenforschung und -kliniken konzentrieren sich auf die Entwicklung sicherer und wirksamer Behandlungen für Erkrankungen einschließlich neurodegenerativer Krankheiten, Rückenmarksverletzungen, Herzerkrankungen, Diabetes und vieler anderer Zustände, bei denen der Zellersatz oder die Geweberegeneration therapeutische Vorteile bieten könnten.

Ethische Überlegungen

Die Stammzellenforschung navigiert weiterhin wichtige ethische Überlegungen, insbesondere im Hinblick auf embryonale Stammzellen und Klonierungstechnologien. Die Zerstörung menschlicher Embryonen für die hESC-Forschung bleibt in vielen Gesellschaften umstritten und wird in verschiedenen Ländern unterschiedlich reguliert.

Aufkommende Technologien wie iPSCs helfen, einige ethische Bedenken zu adressieren, indem sie alternative pluripotente Zellquellen ohne Zerstörung von Embryonen bereitstellen. Dennoch entstehen neue ethische Fragen im Zusammenhang mit genetischer Manipulation, der Einwilligung zur Zellspende und dem gerechten Zugang zu den daraus resultierenden Therapien.

Die internationale Forschungscommunity entwickelt weiterhin Leitlinien und Vorschriften, um einen ethischen Fortschritt in der Stammzellenforschung zu gewährleisten und gleichzeitig das potenzielle Nutzenpotenzial für Patienten zu maximieren, die an verschiedenen Krankheiten und Erkrankungen leiden.

Häufig gestellte Fragen

Welche verschiedenen Arten von Stammzellen gibt es?

Der Artikel beschreibt fünf Hauptkategorien von Stammzellen: embryonale Stammzellen (ESCs), sehr kleine embryonale Stammzellen (VSELs), Stammzellen aus Kerntransfer (NTSCs), reprogrammierte Stammzellen (RSCs) und adulte Stammzellen. Jeder Typ hat einzigartige Quellen und klinisches Potenzial. Zum Beispiel werden ESCs aus Blastozysten gewonnen, während iPSCs aus adulten Zellen reprogrammiert werden.

Können Stammzellen zur Behandlung von Krankheiten eingesetzt werden?

Ja, Stammzellen zeigen vielversprechende Ansätze in der regenerativen Medizin, der Krankheitsmodellierung und der Wirkstoffentwicklung. Klinische Studien laufen derzeit für Erkrankungen wie Netzhaut- und Rückenmarksverletzungen. Dennoch bestehen weiterhin Herausforderungen bei der Kontrolle der Zellproliferation und -differenzierung. Adulte Stammzellen werden bereits bei Knochenmarktransplantationen eingesetzt, und iPSCs könnten personalisierte Therapien ermöglichen.

Welche ethischen Bedenken bestehen bezüglich der Stammzellenforschung?

Ethische Bedenken beziehen sich primär auf die Zerstörung menschlicher Embryonen für die Forschung mit embryonalen Stammzellen. Induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) bieten jedoch eine Alternative, die die Zerstörung von Embryonen vermeidet. Auch der Kerntransfer-Kloning wirft ethische Fragen auf. Die Vorschriften variieren von Land zu Land, und laufende Forschungsarbeiten zielen darauf ab, diese Probleme anzugehen.

Wie werden induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) von einem Patienten gewonnen?

Induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) können aus dem Blut, der Haut oder dem Urin eines Patienten gewonnen werden. Beispielsweise liefert eine einfache 30-ml-Urinprobe Nierentubuluszellen, die über 2 Wochen kultiviert und anschließend über 3–4 Wochen zu iPSCs reprogrammiert werden. Diese Methode ist kosteneffektiv und funktioniert für Patienten jeden Alters und Hintergrunds.

Welche Vorteile bietet die Verwendung der eigenen Stammzellen eines Patienten zur Behandlung?

Die Verwendung der eigenen Stammzellen eines Patienten, wie z. B. induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs), die aus seinem Blut, seiner Haut oder seinem Urin gewonnen wurden, vermeidet eine Immunabstoßung, da die Zellen genetisch identisch mit dem Patienten sind. Dieser autologe Transplantationsansatz eliminiert die Notwendigkeit von Immunsuppressiva und reduziert das Risiko einer Transplantatabstoßung.

Wie hoch ist das Risiko der Tumorbildung bei induzierten pluripotenten Stammzellen?

Induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) bergen ein Risiko der Teratombildung, was eine Art von Tumor ist. Dies ist eine bekannte Herausforderung in diesem Fachgebiet. Forscher arbeiten daran, die Zellproliferation und -differenzierung zu kontrollieren, um dieses Risiko zu minimieren, bevor iPSCs sicher in klinischen Anwendungen eingesetzt werden können.

Wie werden Stammzellen getestet, um sicherzustellen, dass sie sich in jeden Zelltyp entwickeln können?

Stammzellen werden auf ihre Pluripotenz mittels dreier Hauptassays bei Mäusen getestet. Der Teratombildungsassay prüft, ob die Zellen Gewebe aus allen drei Keimblättern generieren können. Der Chimärenbildungsassay testet, ob sie zur Entwicklung beitragen und funktionelle Gameten produzieren. Der Tetraploid-Komplementationsassay bestimmt, ob sie einen gesamten Organismus bilden können.

Sollte ich vor einer Stammzellbehandlung für eine Erkrankung wie eine Rückenmarksverletzung oder eine Netzhauterkrankung eine zweite Meinung einholen?

Eine zweite Meinung kann vor einer Stammzellbehandlung wertvoll sein, da sich das Feld schnell weiterentwickelt und klinische Studien für Erkrankungen wie Netzhaut- und Rückenmarksverletzungen laufen. Verschiedene Spezialisten können unterschiedliche Expertise mit den fünf Stammzelltypen haben, einschließlich embryonaler, induzierter pluripotenter und adulter Stammzellen. Eine zweite Meinung kann helfen zu bestätigen, ob Sie ein geeigneter Kandidat für eine experimentelle Therapie sind, die Risiken wie die Teratombildung bei iPSCs zu klären und sicherzustellen, dass Sie die Alternativen verstehen. Diagnostic Detectives Network bietet unabhängige Experten-Zweitmeinungen an.

Quelleninformationen

Original Article Title: Advances in Pluripotent Stem Cells: History, Mechanisms, Technologies, and Applications

Authors: Gele Liu, Brian T. David, Matthew Trawczynski, Richard G. Fessler

Publication: Stem Cell Reviews and Reports (2020) 16:3–32

DOI: https://doi.org/10.1007/s12015-019-09935-x

Dieser patientenfreundliche Artikel basiert auf begutachteter Forschung und zielt darauf ab, komplexe wissenschaftliche Informationen zugänglich zu machen, wobei alle wesentlichen Ergebnisse und Daten der Originalpublikation erhalten bleiben.