Arten von Stammzellen

Stammzellen sind Generalisten und Spezialisten in Personalunion

Wer sich mit dem Thema „Stammzellen“ genauer beschäftigt, wird viele wundersame Eigenschaften der „Alleskönner-Zellen“ finden und fasziniert sein. Doch zunächst muss man sich durch den Fachjargon kämpfen. Wo ist der Unterschied zwischen hämatopoetischen und mesenchymalen Stammzellen? Was zeichnet totipotente Stammzellen aus? Die Redaktion von familie-gesundheit.de hat sich für Sie in die Spur gemacht, die unterschiedlichen Arten von Stammzellen zusammengetragen und kurz erklärt.

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Stammzelle ist nicht Stammzelle. Obwohl die Vorläuferzellen viele Gemeinsamkeiten haben, gibt es doch Unterschiede und so manche Besonderheit. Sie führen dazu, dass sich die Arten der Stammzellen auf verschiedene Art und Weise einteilen lassen.

 

Im menschlichen Körper sind bisher 200 verschiedene Zelltypen bekannt. Sie alle werden aus Stammzellen gebildet. Von daher ist es auch völlig logisch, dass es ebenso unterschiedliche Arten von Stammzellen geben muss. Man kann die Stammzellen daher auf verschiedene Art und Weise unterteilen:

 

Arten von Stammzellen: Unterscheidung nach dem Zelltyp

Bei der Klassifizierung nach dem Zelltyp spielt die Frage „In welches Gewebe bzw. in welche Zellarten können sich die Stammzellen ausdifferenzieren?“ die zentrale Rolle. Auch wenn die Stammzellen an sich als Generalisten aufzufassen sind, kann trotzdem nicht jede Stammzelle zu jedem Zelltyp werden. In dieser Hinsicht sind auch Stammzellen Spezialisten. Eine Blutstammzelle zum Beispiel vermag es nicht, sich zu einem neuen Knochen oder einer Nervenzelle auszudifferenzieren. Dafür gibt es andere, spezialisierte Stammzellen.

 

Stammzellentyp: Mesenchymale Stammzellen

Experten bezeichnen die Vorläuferzellen des Bindegewebes als mesenchymale Stammzellen. Das Wort leitet sich ab vom griechischen Wort „mesenchym“ ab. Es lässt sich mit dem Begriff „Mittenhineingegossenes“ übersetzen. Das Mesenchym kann man sich als „Zwischenzellsubstanz“ vorstellen. Es gehört zum embryonalen Bindegewebe. Aus ihm entwickeln sich während der Embryonalgenese Knochen und Knorpel aber auch die glatte Muskulatur oder der Herzmuskel.

Aus den mesenchymalen Stammzellen entstehen im Laufe des Lebens immer wieder neue Knochen- und Knorpelzellen, aber auch Muskeln, Bänder und Sehnen. Für das Tissue Engineering sind die mesenchymalen Stammzellen besonders interessant, da sich aus ihnen womöglich komplette Organe wie Lunge, Niere oder Herz züchten ließen. Das ist zumindest der ganz große Traum der Regenerativen Medizin.

Besonders reich an mesenchymalen Stammzellen ist übrigens das Gewebe der Nabelschnur.

 

Stammzellentyp: Hämatopoetische Stammzellen

Der Begriff „hämatopoetische Stammzellen“ klingt zunächst sehr kompliziert. Schaut man sich jedoch das Synonym dafür an, nämlich Blutstammzellen, wird sofort klar, welcher Aufgabe dieser Stammzellentyp nachgeht. Die hämatopoetischen Stammzellen sind für die Blutbildung verantwortlich.

Die Blutzellen haben mit die kürzeste Lebensdauer aller menschlichen Zellen. Schätzungen gehen davon aus, dass bei einem Erwachsenen täglich 200 Milliarden rote Blutkörperchen (Erythrozyten), 120 Milliarden weiße Blutkörperchen (Leukozyten) und 150 Milliarden Blutplättchen (Thrombozyten) neu gebildet werden müssen. Das macht pro Jahr allein über 170 Billionen neu gebildete Blutzellen, für die die Blutstammzellen verantwortlich sind.

 

Stammzellentyp: Neuronale Stammzellen

Lange Zeit hieß es aus medizinischen Kreisen „Nervenzellen regenerieren sich nicht. Wenn sie verloren sind, sind sie verloren, weil es keine Stammzellen für Nervenzellen gibt.“ Diese These ist mittlerweile komplett widerlegt. 1998 entdeckte der schwedische Forscher Peter Eriksson, dass auch im Gehirn erwachsener Menschen neuronale Stammzellen existieren und sich daraus beständig neue Nervenzellen bilden.

Damit ist auch hier die Aufgabe der besonderen Stammzellart klar: Neuronale Stammzellen sind für das Nervengewebe zuständig. Aus ihnen werden vor allem Gehirnzellen gebildet.

Für Wissenschaftler, die an neurodegenerativen Erkrankungen wie Demenz oder Parkinson forschen, sind neuronale Stammzellen hoch interessant, um zu verstehen, wie diese Krankheiten überhaupt entstehen und welche Signalwege Fehler aufweisen. Neuronale Stammzellen können allerdings auch bei der Reparatur helfen – vor allem bei Schäden in Folge von traumatischen Verletzungen. Diese treten beispielsweise bei einem Schlaganfall oder bei Kopfverletzungen nach einem Unfall auf. Auch bei Querschnittslähmungen wird Nervengewebe zerstört. Hier allerdings nicht im Gehirn sondern im Rückenmark. Die Forscher hoffen, mit Hilfe der neuronalen Stammzellen Reparaturprozesse in Gang zu setzen und so die entstandenen Schäden zu minimieren.

 

Arten von Stammzellen: Unterscheidung nach dem ontogenetischen Alter

Die Biologie bezeichnet mit dem Begriff „Ontogenese“ die Entwicklung eines Individuums. Dieser Prozess fängt mit der Eizelle an und ist erst mit dem geschlechtsreifen Organismus abgeschlossen. Bei dieser zweiten Klassifizierungsmöglichkeit der verschiedenen Stammzellenarten wird zwischen embryonalen, fötalen und adulten Stammzellen unterschieden. Auch hier folgt man den verschiedenen Stufen in der Entwicklung des Menschen: Von der befruchteten Eizelle, der Zygote, über die Stufe von Embryo und Fötus bis hin zum Neugeborenen und Erwachsenen.

 

Stammzellentyp: Embryonale Stammzellen

Embryonale Stammzellen existieren nur zu Beginn des menschlichen Lebens. Sie sind damit die „Mütter aller Zellen“. Aus ihnen entwickeln sich alle spezifischen Zelltypen. Dabei gilt die Zygote als Urstammzelle. Mit ihr fängt alles an. Und am Ende besteht ein vollständiger Mensch aus rund 100 Billionen Zellen. Eine Billion ist übrigens eine 1 mit 12 Nullen.

Die embryonalen Stammzellen existieren jedoch nur in einem kurzen Zeitfenster von wenigen Tagen. In den ersten drei bis vier Tagen nach der Befruchtung entwickelt sich aus der Zygote über die Morula die Blastozyste.

Im medizinischen Einsatz sind embryonale Stammzellen aus ethischen Gründen höchst umstritten. Um diese Stammzellen gewinnen zu können, müsste man Embryonen gezielt züchten und anschließend zerstören. In Deutschland ist die Gewinnung von embryonalen Stammzellen durch das Embryonenschutzgesetz daher gesetzlich verboten. Die Einfuhr wird durch das Stammzellgesetz stark reglementiert.

 

Stammzellentyp: Fetale Stammzellen

Auch fetale Stammzellen sind ethisch nicht unbelastet. Sie sind allerdings nicht so hochumstritten wie die embryonalen Stammzellen, wo ein Embryo ausschließlich zur Stammzellgewinnung erschaffen und zerstört wird. Bei den fetalen Stammzellen ist es etwas anders. Hier werden die Stammzellen in der Regel aus in der fünften bis zwölften Woche abgetriebenen Föten oder spontanen Fehlgeburten gewonnen. Dieses Gewebe würde sowieso mit dem Klinikmüll entsorgt. Während embryonale Stammzellen pluripotent sind, sind fetale Stammzellen allerdings nur noch multipotent. (Der Unterschied wird im nächsten großen Kapitel „Unterscheidung nach dem Differenzierungspotenzial“ noch genauer erklärt.) Fötale Stammzellen haben ein großes Wachstumspotenzial und sind vor allem für die Therapie von neurodegenerativen Erkrankungen hochinteressant.

 

Stammzellentyp: Adulte Stammzellen

Im Knochenmark und anderen Organen gibt es auch beim Erwachsenen adulte Stammzellen. Man muss sich diese besonderen Zellen als eine Art Reservearmee und Feuerwehr vorstellen. Wenn Zellen zugrunde gehen, schaffen sie Ersatz.

Experten sprechen spätestens ab der Geburt von adulten Stammzellen. Anders als embryonale Stammzellen können sie sich nicht mehr zu allen Zelltypen eines Organismus ausdifferenzieren. Hat man die einmalige Chance direkt nach der Geburt verpasst und die Stammzellen aus dem Nabelschnurblut nicht gesichert, lassen sich adulte Stammzellen nicht mehr so einfach gewinnen. Das ist mit Risiken verbunden und geht nicht ohne Schmerzen.

 

Stammzellentyp: Neonatale Stammzellen

Die Nabelschnurblut-Stammzellen müssen korrekterweise eigentlich zu den adulten Stammzellen gezählt werden. Doch sie haben so viele besondere Eigenschaften, dass es für die eigene Klasse „neonatale Stammzellen“ gereicht hat. Vorteile der Nabelschnurblut-Stammzellen sind ihre Vitalität und besondere Potenz. Außerdem weisen sie kaum Alterungsspuren auf, da sie direkt nach der Geburt entnommen und binnen 48 Stunden eingefroren werden.

Die Nabelschnurblut-Entnahme bei der Geburt gilt als die einfachste und ethisch unbedenklichste Art der Stammzellgewinnung.

 

Arten von Stammzellen: Unterscheidung nach dem Differenzierungspotenzial

Die letzte Unterscheidungsmöglichkeit der verschiedenen Arten von Stammzellen setzt den Fokus auf die Frage „In wie viele Zelltypen kann sich eine Stammzelle entwickeln?“. Mittlerweile wissen Wissenschaftler, dass Stammzelle nicht automatisch gleich Stammzelle ist. Wissenschaftler haben innerhalb der verschiedenen Stammzellentypen eine klare Hierarchie gefunden: Vom Generalisten zum Spezialisten quasi. Als Faustformel können sich Laien einfach merken: Wenn sich eine Stammzelle sehr früh entwickelt, dann hat sie in der Regel ein größeres Differenzierungspotenzial.

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Potenzen bei den Stammzellen im Überblick. Vom Allroundgenie „totipotente Stammzelle“ bis hin zum Spezialist „unipotente Stammzelle“

 

Stammzellentyp: Omnipotente/Totipotente Stammzellen

Die Begriffe „Omnipotenz“ und „Totipotenz“ meinen das gleiche: Eine Stammzelle mit dieser Eigenschaft ist in der Lage, einen kompletten Organismus hervorzubringen. Die befruchtete Eizelle als Ur-Stammzelle ist eine totipotente Stammzelle. Aus ihr entwickelt sich durch Zellteilung der Embryo und damit der komplette Mensch.

Omnipotente Stammzellen gibt es nur in einer kurzen Phase während der Embryonalentwicklung: Drei bis vier Tage nach der Befruchtung, wenn sich der Embryo zur Blastozyste entwickelt. So früh werden bereits alle Organe und Gewebe angelegt, denn es ordnen sich in der Blastozyste die Zellen an. Die äußere Zellschicht bildet den sogenannten Trophoblast. Aus ihm werden sich in den nächsten Tagen und Wochen die Fruchtblase und die Plazenta gebildet. Die inneren Zellschichten werden zum Embryoblast. Aus ihm entwickelt sich der vollständige Mensch.

Wer im vorangegangenen Kapitel aufgepasst hat, weiß bereits, dass das Blastozysten-Stadium genau der Zeitraum ist, indem die embryonalen Stammzellen existieren. Daher sind embryonale Stammzellen omnipotent und deswegen so wertvoll für die Forschung.

 

Stammzellentyp: Pluripotente Stammzellen

Pluripotente Stammzellen zeichnet aus, dass sie sich ebenfalls in alle Zellarten ausdifferenzieren können. Im Unterschied zu omnipotenten Stammzellen kann aber aus ihnen von allein kein komplett neuer Organismus mehr entstehen. Pluripotente Stammzellen sind innerhalb der Stammzellenforschung besonders für das Tissue Engineering hoch interessant.

Seit dem Jahr 2006 können sogenannte induzierte, pluripotente Stammzellen aus somatischen Stammzellen gewonnen werden. Somatische Stammzellen ist dabei eine andere Bezeichnung für adulte Stammzellen. Als Ausgangsmaterial für die IPS-Stammzellen nehmen Forscher meist Hautzellen, die in den „Urzustand“ durch Umprogrammierung zurückversetzt werden. Diese so entstandenen Stammzellen werden genutzt, um damit unterschiedliche Gewebetypen herzustellen, um an ihnen neue Medikamente zu testen. Und auch in der Grundlagenforschung kommen induzierte, pluripotente Stammzellen zum Einsatz. Da man beispielsweise bei Alzheimer-Patienten keine kranken Gehirnzellen zu Lebzeiten entnehmen kann, reprogrammieren Wissenschaftler die Hautzellen der Patienten und erschaffen daraus neuronale Stammzellen, mit deren Hilfe sie den Ursachen Erkrankung auf die Spur kommen wollen.

 

Stammzellentyp: Multipotente Stammzellen

Viele Organe bestehen aus Gewebe, das verschiedene Zellarten aufweist. So hat beispielsweise die Lunge ein Stützgerüst. Es gibt Blutgefäße, die Lungenbläschen und die Luftröhre. Multipotente Stammzellen sind in der Lage, sich in verschiedene Zellarten ihres Gewebes zu differenzieren. Was muss man sich darunter nun genau vorstellen?

Hämatopoetische Stammzellen sind multipotent. Sie teilen sich und aus den Tochterzellen können alle Bestandteile des Blutes wie Erythrozyten, Leukozyten und Thrombozyten entstehen. Auch die neuronalen Stammzellen können Nervenzellen mit unterschiedlicher Spezialisierung hervorbringen. Eine neuronale Stammzelle wird sich allerdings nicht von selbst zu einer Muskelzelle, einer Herzzelle oder einer Leberzelle entwickeln.

 

Stammzellentyp: Oligopotente Stammzellen

Oligopotente Stammzellen differenzieren sich nur noch in einige wenige Zellen ihres Gewebes. Blutbildende Stammzellen sind, wie oben bereits beschrieben, multipotent. Teilt sich eine hämatopoetische Stammzelle so entstehen zwei Tochterzellen. Eine Tochterzelle behält die multipotenten Eigenschaften der Mutterzelle. Die zweite Tochterzelle differenziert sich entweder zu einer myeloischen Stammzelle oder einer lymphoiden Stammzelle aus. Diese beiden Stammzellenarten zählen allerdings nur noch zu den oligopotenten Stammzellen. Aus den myeloischen Stammzellen entwickeln sich Erythrozyten, Granulozyten, Thrombozyten oder Monozyten. Aus den lymphoiden Stammzellen entwickeln sich die T-Zellen, B-Zellen und Killerzellen – also ein Teil des Immunsystems.

 

Stammzellentyp: Unipotente Stammzellen

In der Hierarchie der Stammzellen sind die unipotenten Stammzellen diejenigen mit dem kleinsten Differenzierungspotenzial. Sie können sich nur noch zu ihrem Zelltyp entwickeln.

Die menschlichen Keimzellen, die Gameten, gehören zu diesem Stammzelltyp. Beim Mann befinden sich im Hoden die spermatogonialen Stammzellen. Aus ihnen werden die Spermien gebildet. Auch Frauen besitzen Stammzellen, aus denen Eizellen entstehen. Diese werden bereits im weiblichen Fötus angelegt. Viele Jahre gingen Mediziner davon aus, dass Mädchen mit einer festangelegten Anzahl an Eizellen geboren werden. Die Anzahl nimmt mit einsetzender Geschlechtsreife ab. Neue Eizellen können nicht gebildet werden. Dies ist vermutlich ebenfalls wieder ein Trugschluss, denn 2012 gelang Forschern der Nachweis, dass im Eierstockgewebe erwachsener Frauen Stammzellen vorkommen, die in der Lage sind, Eizellen zu bilden.

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