Dünndarm aus Stammzellen

Im Labor gezüchteter Darm kann Nährstoffe aufnehmen

Im Fachmagazin Nature Communications stellten amerikanische Forscher eine spannende Studie vor. Sie befreiten ein Dünndarm-Segment eines Spenders von allen bisherigen Zellen, sodass nur das Grundgerüst übrigblieb. Dieses besiedelten sie im Bioreaktor mit Stammzellen. Nach der Verpflanzung war der so künstlich gezüchtete Darm in der Lage, die Nährstoffe aus Nahrungsmitteln aufzunehmen.

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In Zukunft sollen Ersatzorgane künstlich im Labor gezüchtet werden. Von dieser Vision träumt das Tissue Engineering. Die Grundlagen dafür werden bereits heute gelegt. Jetzt gelang es, im Bioreaktor einen künstlichen Dünndarm aus Stammzellen zu züchten. In ersten Test konnte das Darmsegment die zugedachten Aufgaben erfüllen.

 

Tierversuche schaffen Basis für Humanmedizin

Die Studie erfolgte im Tierversuch. Doch sie schafft wichtige Grundlage für die Humanmedizin – beispielsweise für die Behandlung des Kurzdarmsyndroms.

Der Darm ist ein sensibles Organ. Er kann durch akute Gefäßverschlüsse, durch chronisch-entzündliche Darmerkrankungen oder durch Krebsbehandlungen geschädigt werden. Auch Darmverschlingungen führen häufig zum Darmverschluss und zum Absterben von Darmgewebe. Der Dünndarm ist dabei der längste Teil des Verdauungstraktes. Wird er zu stark in Mitleidenschaft gezogen, kann es passieren, dass der Körper nicht mehr ausreichend Nährstoffe aus der Nahrung resorbieren kann. Es kommt zu einer Mangelversorgung. Hier kann bislang nur eine parenterale Ernährung, also die künstliche Zufuhr von lebensnotwendigen Stoffen über die Blutbahn, dauerhaft das Leben der Patienten sicherstellen.

Bisher besteht die einzige Alternative zur Therapie des sogenannten Kurzdarmsyndroms in einer risikoreichen Dünndarmtransplantation. Doch die Wartelisten für Patienten sind auch hier lang, sodass nicht allen Betroffenen geholfen werden kann. Außerdem müssen die transplantierten Patienten ein Leben lang täglich Immunsuppressiva einnehmen, um eine Abstoßung des Spendergewebes zu unterdrücken und damit die Darmfunktion zu erhalten.

 

Grundgerüst muss mit Stammzellen besiedelt werden

Sowohl der Engpass bei den Spenderorganen als auch die dauerhafte Immunsuppression ließen sich mit der nun vorgestellten Methode umgehen. Das Verfahren wurde am Massachusetts General Hospital in Boston am dortigen Center for Regenerative Medicine entwickelt. Verstorbenen entnommene Darmsegmente fungieren als Ausgangsmaterial. Sie werden zunächst von allen zellulären Elementen befreit, sodass nur noch die extrazelluläre Matrix (ECM) übrigbleibt. Dieses Grundgerüst wird nun mit den Stammzellen der Patienten neu besiedelt. Da somit kein fremdes Gewebe am Ende übertragen würde, entfiele für die Empfänger die Einnahme von Immunsuppressiva.

Die Technik ist bereits sehr weit gereift. Auch zur Züchtung von Nieren-, Lungen- oder Herzgewebe wird auf das Grundgerüst aus extrazellulärer Matrix gesetzt und dieses erfolgreich mit Stammzellen besiedelt. Um an das künstliche Darmgewebe zu kommen, muss im ersten Schritt das dem Spender entnommene Darmgewebe mit Natriumlaurylsulfat gespült werden. Im Fachjargon sprechen die Spezialisten von „perfundieren“. Natriumlaurylsulfat ist ein sogenanntes Detergens, dass nicht nur reinigt und desinfiziert, sondern gleichzeitig auch die Endothelien von der Oberfläche der Blutgefäße löst. Wird das Darmsegment im Anschluss gespült, verschwinden auch die Schleimhautreste, über die bislang die Nahrungsbestandteile in die Blutbahn gelangten.

 

Neues Darmgewebe entsteht mit Hilfe von induzierten pluripotenten Stammzellen

Das nun zellfreie Transplantat muss im nächsten Schritt mit den Zellen des Empfängers besiedelt werden. Dafür sind verschiedene Zelltypen notwendig: einerseits die Endothelien für die Blutgefäße, andererseits auch neue Epithelien für die Schleimhaut. Im Normalfall erfolgt die Erneuerung letzterer beständig über die Reservezellen aus der Tiefe der Darmkrypten.

Für die Neubesiedlung des Darmgewebes nutzen die Mediziner Fibroblasten. Sie lassen sich leicht mit Hilfe einer Hautprobe gewinnen. Die adulten Zellen werden in induzierte pluripotente Stammzellen reprogrammiert (kurz: IPS-Zellen), die von ihren Eigenschaften sehr stark den pluripotenten embryonalen Stammzellen ähneln. Auch sie können sich in eine Vielzahl von Zelltypen weiterentwickeln. Die so gewonnenen Stammzellen lassen die Forscher im Labor nun zu Vorläuferzellen für Blutgefäße und Darmepithelien heranreifen.

 

Zusammenspiel verschiedener Zelltypen muss beim künstlichen Darm nachgebaut werden

Die Herausforderung besteht darin, dass es gelingen muss, das Dünndarmgerüst mit den Vorläuferzellen zu besiedeln. Dazu sind zwei Schritte notwendig. Im ersten Schritt wurden die Stammzellen für das Epithel auf die extrazelluläre Matrix des Spenderdarms aufgebracht. Im Bioreaktor dauert es 28 Tage, bis sich auf der Oberfläche eine Schicht aus funktionellen Zellen gebildet hatte. Sie sind in der Lage, auf ihrer Oberfläche die Nahrungsbestandteile wie Aminosäuren (Eiweiße), Lipide (Fette) und Glucose (Zucker) aufzunehmen und auf der anderen Seite an die Blutgefäße weiterzureichen. Im zweiten Schritt gelang es den Bostoner Forschern, auch die Blutgefäße mit neuen Endothelien auszukleiden, sodass die Nahrungsbestandteile in die Blutbahn übergehen können.

Das so per Tissue Engineering neu gezüchtete Darmgewebe musste seine Fähigkeiten in ersten in-vitro-Tests unter Beweis stellen. Es zeigte sich, dass die Darmepithelien tatsächlich ihre Aufgaben wahrnehmen und die Nahrungsbestandteile erfolgreich resorbieren. Und auch die Endothelien erledigen ihre Arbeit und transportieren die Nährstoffe ab. Über die Blutbahn können sie so den Körper versorgen.

 

Tissue Engineering noch immer eine große Herausforderung

Weitere Versuchen müssen nun zeigen, ob das Verfahren Zukunft hat und ob sich so wirklich ein Ersatz-Dünndarm erschaffen lässt. Die bisherigen Versuche züchteten im Labor nur kleine Segmente von wenigen Zentimetern Länge. In der Praxis ist der Intestinum tenue, wie der Dünndarm im Medizinerdeutsch heißt, jedoch drei bis fünf Meter lang.

 

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