GPS für Stammzellen: „StemMapper“ bietet Stammzellenforschern Orientierung

Markante 3D-Strukturen helfen bei der Einordung der Entwicklungsschritte

Um wirksame, personalisierte Therapien mit Stammzellen entwickeln zu können, müssen Stammzellenforscher genau den Differenzierungsprozess kennen und wissen, in welchem Differenzierungsstadium sich eine Zelle aktuell befindet. Dank des StemMappers steht nun ein exaktes Koordinatensystem zur Einordnung und gezielten Steuerung zur Verfügung.

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Damit aus einer Stammzelle eine Herzzelle oder eine Nervenzelle wird, muss sie die „richtige Ausfahrt“ nehmen. Für Stammzellenforscher glich der Differenzierungsprozess bislang einem Labyrinth. Sie konnten nicht genau sagen, wo bzw. in welchem Stadium sich eine Zelle gerade befindet. Mit dem StemMapper steht jetzt jedoch ein Koordinatensystem zur Verfügung, dass die exakte Einordnung erlaubt und damit die Basis für eine gezielte Steuerung schafft.

 

Das Wunder des Lebens: Die faszinierende Entwicklung des Embryos

Das große Wunder des Lebens beginnt mit der Verschmelzung von Ei- und Samenzelle. Dann fängt das große Abenteuer „Baby“ an. Die Entstehung der Zygote, also der befruchteten Eizelle, markiert den Startschuss für die Entwicklung eines neuen Erdenbürgers. Innerhalb von 280 Tagen, also ca. 40 Wochen bzw. 9 Monaten, entstehen aus einer einzigen Zelle rund 100 Billionen Körperzellen mit ganz unterschiedlichen Funktionen. Es bilden sich nicht nur Arme und Beine, sondern auch Knochen, Muskeln, Sehnen und Knorpel. Es entstehen die Organe wie Herz, Niere, Lunge, Leber oder die Haut und das Gehirn. Die Zygote gilt damit als die Mutter aller Körperzellen. Sie wird in der Literatur auch oft als „Urstammzelle“ bezeichnet.

Unabhängig von ihrem Einsatzort trägt jede Zelle – egal ob Stammzelle oder ausdifferenzierte, somatische Körperzelle – in ihrem Erbgut den kompletten Bauplan für den gesamten Organismus in sich. Es gibt jedoch eine genau festgelegte Choreographie: Im Laufe der Zeit werden bestimmte Gene angeschalten und andere Gene stattdessen abgeschalten. Dieser durchgetaktete Ablaufplan sorgt dafür, dass die in der DNA hinterlegten Informationen exakt zum richtigen Zeitpunkt abgelesen werden und daraus Proteine und Botenstoffe entstehen.

Nur so kann sich ein vollfunktionsfähiger Organismus entwickeln und letztlich auch am Leben bleiben. Mit der Geburt ist die Entwicklung ja nicht abgeschlossen. Tagtäglich sterben Milliarden Zellen ab und müssen ersetzt werden. Nur so kann ein Kind überhaupt wachsen. Es wird Krankheiten wie die Windpocken, eine Erkältung oder eine Magen-Darm-Infektion mit dem Noro-Virus überstehen. Manchmal passieren Missgeschicke wie ein Sturz oder ein Unfall. Dann kann das Fußgelenk brechen, es kommt zur Verstauchungen an der Hand oder zu Hautabschürfungen. Um genau solche Schäden zu reparieren, besitzt der Körper ein Regenerationsprogramm. Dank der Alleskönner Stammzellen werden kaputte und kranke Zellen schnell ersetzt. Gebrochene Knochen können heilen und Wunden hören auf zu bluten, da sie sich verschließen. Jedoch kommen auch die Stammzellen mit zunehmendem Alter „in die Jahre“. Da jede Zellteilung Spuren hinterlässt, zeigen sie im Laufe der Zeit deutliche Verschleißerscheinungen. Dazu kommt, dass Viren, Bakterien und Umweltgifte alle Zellen schädigen können. Sie machen bei den Stammzellen keine Ausnahme. Die Folgen sind deutlich spürbar: Irgendwann funktioniert das körpereigene Reparaturprogramm im Alter nicht mehr so gut und es können schwere Krankheiten wie Demenz, Krebs oder Herzinsuffizienz entstehen.

 

Regenerative Medizin will das körpereigene Reparaturprogramm wieder auf die Werkseinstellungen direkt nach der Geburt zurücksetzen

Die moderne Medizin möchte genau diesem Alterungsprozess Einhalt gebieten. Wie altersbedingte Schäden behoben und kaputtes Gewebe ersetzt werden kann, darum geht es beim Tissue Engineering, einem Teilgebiet der Regenerativen Medizin. Hier will die Wissenschaft die Regeneration wieder in Gang bringen und damit quasi das Reparaturprogramm auf die Werkseinstellungen kurz nach der Geburt zurücksetzen. Die Versprechen der Mediziner machen durchaus Hoffnung: Ist die Lunge kaputt? Arbeitet das Herz nicht mehr einwandfrei? Kein Problem! Im Labor züchten wir aus Stammzellen einfach ein neues Organ und transplantieren es! Im Idealfall handelt es sich bei dem Transplantat um eigenes Gewebe des Patienten, sodass es zu keinen Abstoßungsreaktionen mehr kommen kann. Diese häufig auftretende Komplikation macht derzeit die Organverpflanzung so kompliziert. Da nicht jedes Organ für jeden Empfänger passt, entstehen heute lange Wartelisten. All das soll jedoch mit dem Tissue Engineering langfristig der Vergangenheit angehören.

 

Die ethisch umstrittenen embryonalen Stammzellen sind nicht die einzigste Stammzellenquelle

Lange Zeit dachten die Stammzellenforscher, dass ihnen als Wunderzellen nur die ethisch stark umstrittenen embryonalen Stammzellen zur Verfügung ständen. Doch es gibt sehr viel mehr Stammzellenquellen als ursprünglich angenommen: Heute können Stammzellen sowohl aus dem Knochenmark als auch dem Fettgewebe gewonnen werden. Die Mediziner nutzen jedoch auch das stammzellreiche Nabelschnurblut von Neugeborenen, denn die sogenannten neonatalen Stammzellen sind besonders jung und teilungsfreudig. Dies sind für die Medizin wichtige Eigenschaften.

2012 gab es für Shin’ya Yamanaka den Medizin-Nobelpreis. Der Wissenschaftler aus Japan entdeckte zusammen mit seinem Team, dass sich jede somatische Körperzelle in eine Art „Urzustand“ zurückversetzen lässt. Sie hat dann fast wieder die gleichen Eigenschaften wie eine embryonale Stammzelle am Anfang der Embryogenese. Damit bewies Yamanaka indirekt auch eine über 120 Jahre alte These von Hans Driesch (1867 – 1941) – nämlich, dass die Potenz einer Zelle letztlich größer ist als ihr tatsächliches Schicksal.

Um eine ausdifferenzierte Zelle in eine Stammzelle zurückzuverwandeln, muss in der Zelle lediglich die Aktivierung von vier Genen erfolgen. Die auf diese Weise entstandenen Zellen werden als IPS-Zellen, als induzierte pluripotente Stammzellen, bezeichnet. Die IPS-Zellen können sich zu fast jedem Zelltyp ausdifferenzieren. Im Labor lassen Forscher aus ihnen daher Nervenzellen, Leberzellen oder neue Knorpelzellen heranwachsen.

 

Während des Zelldifferenzierungsprozesses entstehen markante 3D-Strukturen

Die große Fertigkeit bei der Ausdifferenzierung besteht jedoch im Verständnis der präzisen Choreografie. Nur wer die Natur bis ins letzte Detail verstanden hat, kann sie imitieren. Damit eine Stammzelle zu einer Nervenzelle oder Herzzelle wird, sind zur richtigen Zeit die richtigen Signale von außen erforderlich. Diese Signale kommen nicht nur von Botenstoffen oder von den sogenannten Pluripotenzgenen. Auch das Erbgut wird während der Differenzierung physisch immer wieder umgebaut und dabei in seiner dreidimensionalen Struktur umgeschichtet. Je nach Aufgabe der Stammzelle entsteht so eine Art von 3D-Landkarte, die ganz typisch ist. Die Landkarte lässt sich im Labor festhalten und archivieren.

Stammzellforscher können nun von ihren sich im Differenzierungsprozess befindlichen Stammzellen „Landschaftsaufnahmen“ machen und diese mit archivierten 3D-Landkarten abgleichen. So ist es möglich, sehr zuverlässlich zu sagen, an welchem Punkt der Differenzierung sich eine Zelle gerade befindet. Je nachdem, ob die kultivierte Zelle noch eine Stammzelle, eine weiterdifferenzierte Vorläuferzelle oder eine bereits ausdifferenzierte Körperzelle ist, können die Forscher die Prozesse nun deutlich besser steuern, indem der Zellkultur die dann erforderlichen Botenstoffe und Wachstumsfaktoren hinzugegeben werden.

 

 

Komplizierte Faltung des Erbguts ist eine Meisterleistung der Ingenieurskunst

Bei der 3D-Struktur des Erbguts hat sich Mutter Natur selbst übertroffen. Die Wissenschaftler staunen bis heute über diese Meisterleistung der Ingenieurskunst. Das Erbgut einer menschlichen Körperzelle besteht aus sechs Milliarden Basenpaaren. Sie sind die Bausteine der DNA und bilden eine Doppelhelix. Würde man alle Basenpaare in die Länge ziehen, so erhielte man einen Erbgut-Strang mit einer Länge von zwei Metern – pro Zelle wohl gemerkt!

Jedoch muss es durch Faltung gelingen, alle Basenpaare in den 0,005 bis 0,016 Millimeter großen Zellkern zu pressen. Bei der aufwändigen und komplizierten Faltung wird die DNA um sogenannte Histone gewickelt. Die so entstandene, sehr komplexe Verpackung bildet in einzelnen Stadien ganz markante 3D-Strukturen, aus denen sich letztendlich die Chromosomen bilden.

 

StemMapper dient Stammzellenforschern als Koordinatensystem zur Einschätzung der Entwicklungsschritte

Genau an jener Verpackungsform bzw. Verpackungsstruktur sind die Wissenschaftler nun dran. Sie wollen sie als Marker nutzen, um damit beim Tissue Engineering die Differenzierungsprozesse besser überwachen und steuern zu können. Laien müssen sich das Projekt als eine Art „Google Maps für Stammzellenforscher“ vorstellen. Mit Hilfe des StemMappers können die Forscher schauen, in welchem Entwicklungsstadium sich eine Zelle befindet. Der StemMapper liefert das für die Orientierung erforderliche Koordinatensystem. Die prinzipielle Funktionsweise hat man sich quasi vom Global Positioning System (GPS) abgeschaut.

Der Zustand einer Zelle lässt sich mit dem StemMapper analysieren. Der Stammzellenforscher weiß dann, welche der rund 20.000 Gene einer gezielten Aktivierung bedürfen. So lassen sich zum Beispiel Teilungsprozesse steuern. Genau daran ist die Krebsforschung besonders interessiert. Das präzise Verständnis, warum sich Krebszellen unkontrolliert teilen und damit beinahe unbegrenzt vermehren, kann die Krebstherapie revolutionieren. Gelänge es, diesen Prozess gezielt zu unterbinden, wäre die sichere Heilung von Krebs in greifbarer Nähe.

Der StemMapper ist ein unverzichtbares Tool, um auf die Patienten individuell zugeschnittene Therapiekonzepte im Rahmen der personalisierten Medizin entwickeln zu können.

 

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