Induzierte pluripotente Stammzellen

Definition: Was sind induzierte, pluripotente Stammzellen?

Lange Zeit vermuteten Forscher, dass sich Körperzellen ausschließlich in eine Richtung entwickeln können: Aus der Stammzelle entsteht durch Differenzierung eine spezialisierte Herz-, Knochen- oder Nervenzelle. Umkehrung? Ausgeschlossen!

Die Frage, ob es eine Alternative zu den embryonalen Stammzellen geben könnte, stellte sich damit zunächst nicht. Durch Forschungsarbeiten und damit einhergehende Beobachtungen und Erkenntnisse verdichtete sich jedoch immer mehr der Verdacht, dass womöglich alle Zellen noch die Informationen enthielten, um aus ihnen ein ganzes Individuum zu machen – sowohl bei Tieren als auch beim Menschen. Durch das Ein- und Ausschalten von Genen konnten vielleicht nur bestimmte Informationen ausgelesen und umgesetzt werden, die komplette Bibliothek läge dennoch vollständig vor. Dem Biologen und Philosophen Hans Driesch wird das Zitat zugeschrieben: „Die Potenz einer Zelle ist größer als ihr tatsächliches Schicksal!

Durch die möglich gewordene Umkehrung gibt es vielleicht die Möglichkeit, auf embryonale Stammzellen langfristig sogar komplett zu verzichten. Ihre Gewinnung löst große ethische Konflikte und Debatten aus, denn dabei wird der Embryo gezielt zerstört. Um das Leben und die Menschenwürde zu schützen, hat beispielsweise der deutsche Gesetzgeber das Embryonenschutzgesetz erlassen. Embryonen dürfen demnach nicht zum Zweck der Stammzellengewinnung zerstört werden. Um jedoch die Freiheit der Forschung zu gewährleisten, regelt das Stammzellengesetz, dass im Ausland gewonnene, embryonale Stammzellen unter gewissen Umständen in Deutschland für Forschungszwecke eingeführt werden dürfen.

 

Herstellung von induzierten, pluripotenten Stammzellen schreibt Medizingeschichte

Die Entdeckung, dass sich die Differenzierung bei Zellen umkehren lässt und so aus Körperzellen auch Stammzellen entstehen können, schrieb Medizingeschichte. Den Grundstein dafür legte ein japanisches Forscherteam an der Universität Kyoto im Jahr 2006. Unter Führung von Shin’ya Yamanaka schafften es die Wissenschaftler, gezielt vier Gene in eine Körperzelle einzuschleusen und damit die Revolution auszulösen: Aus einer einfachen Hautzelle wurde eine Stammzelle, die sich in fast alle Zelltypen entwickeln und damit neue Aufgaben im menschlichen Körper übernehmen kann. Die so entstehenden Stammzellen gelten als eigener Stammzelltyp und werden unter dem Namen „induzierte, pluripotente Stammzellen“, kurz IPS, geführt. Die Entwicklung dieses Stammzelltyps katapultierte Shin’ya Yamanaka 2012 in eine Riege mit Robert Koch, Karl Landsteiner, Alexander Fleming oder James Watson und Francis Crick. Ihnen allen ist gemein, dass sie Träger des Medizinnobelpreises sind. 2012 erhielt Yamanaka jedoch nicht nur den „Nobelpreis für Physiologie oder Medizin“, sondern auch den „Millennium Technology Prize“.

Die induzierten, pluripotenten Stammzellen gelten als wichtiger Meilenstein in der Stammzellenforschung, denn nun ist es möglich, Stammzellen ohne ethische und rechtliche Konflikte im Labor zu erschaffen. Dafür benötigt werden nur einige wenige, adulte Körperzellen. Diese kann jeder Erwachsene freiwillig und unentgeltlich spenden – theoretisch ganz ähnlich wie es bereits mit dem System des Organspendeausweises bzw. der öffentlichen Stammzellregister existiert.

Die Forscher verwenden für die Reprogrammierung allerdings ausschließlich somatische Zellen, d. h. keine Gameten, wie die weibliche Eizelle und das männliche Spermium auch genannt werden. Yamanakas Team arbeitet bei seinen Forschungen mit den Hautzellen von Mäusen, da sich diese einfach und ohne größere Risiken mit einer kleinen Biopsie gewinnen lassen. Die erschaffenen induzierten, pluripotenten Stammzellen sind selbsterhaltend. Das bedeutet: Sie können sich beinahe beliebig oft teilen. Diese besondere Eigenschaft kennzeichnet sonst nur embryonale Stammzellen aus, die vor allem auf Teilung ausgelegt sind. Die IPS-Zellen haben durch das Erschaffen von Kopien das Potenzial, entsprechend große Zellmengen entstehen zu lassen. Dies ist eine notwendige Voraussetzung für das Tissue Engineering, das langfristig daran arbeitet, komplette Gewebe und Organe aus Stammzellen im Labor heranzuzüchten. Ein weiterer, großer Vorteil, den die Wissenschaftler sehen: Die induzierten, pluripotenten Stammzellen könnten vom Patienten selber stammen. Damit wäre die bei Transplantationen gefürchtete Komplikation der Abstoßung kein Thema mehr. Das neue Gewebe würde vom Körper nicht als fremd erkannt, da es in allen Merkmalen identisch ist. Auf die Gabe von Immunsuppressiva könnte so verzichtet werden. Schwere Nebenwirkungen würden dann auch ausbleiben.

 

Bedeutung der IPS-Zellen: Medizinischer Einsatz ist keine ferne Science-Fiction

Die IPS-Zellen werden heute vor allem für die Erforschung von neurodegenerativen Erkrankungen wie Demenz/Alzheimer, Parkinson, Chorea Huntington oder Amyothrophe Lateralsklerose (ALS) genutzt. Das Problem bei diesen Krankheiten war bislang: Aus dem Gehirn der Patienten konnte man nicht einfach neuronale Stammzellen entnehmen und untersuchen, was die kranken Zellen von den gesunden Zellen unterscheidet. Jetzt allerdings können Hautzellen der Patienten zunächst in induzierte, pluripotente Stammzellen zurückverwandelt und im nächsten Schritt zu neuronalen Stammzellen weiterentwickelt werden. Mit ihnen kann die Grundlagenforschung besser verstehen lernen, was bei den Patienten im Gehirn „schief läuft“ und warum ihre Stammzellen es nicht mehr schaffen, die von der Krankheit verursachten Schäden zu kompensieren. Doch auch aus der Anwendungsforschung sind IPS-Zellen nicht mehr wegzudenken. An ihnen können bereits frühzeitig Ansätze für neue Therapien und Medikamente getestet werden.

 

In der Debatte: Die Risiken der induzierten, pluripotenten Stammzellen

Die Herstellung der induzierten, pluripotenten Stammzellen ist ein sehr zeitintensiver Prozess. Es kann teilweise Wochen und Monate dauern, bis von einem Patienten eine ausreichend große Anzahl an IPS-Zellen für Versuche zur Verfügung steht. Die Erwartungen und Hoffnungen sind jedoch riesig. So riesig, dass sich eine junge Wissenschaftlerin aus Japan zu einer folgenschweren Schummelei verleiten ließ und wissenschaftliche Standards missachtete. Sie vermeldete 2014, dass es ihr gelingt, in einem relativ einfachen und schnellen Verfahren mittels Säurebad IPS-Zellen zu erzeugen. Diese Zellen bekamen sogar einen eigenständigen Namen: STAP-Stammzellen. Doch die Publikation hielt der Überprüfung durch andere Wissenschaftler nicht Stand. Sie musste zurückgezogen werden. Das war nicht nur ein Desaster für die junge Frau, sondern auch für das renommierte Magazin und für die gesamte Stammzellenforschung. Der übertriebene Ehrgeiz einzelner Personen hatte dafür gesorgt, dass ein ganzer Forschungszweig in die Kritik geriet und bewährte Strukturen in Frage gestellt wurden.

Induzierte, pluripotente Stammzellen waren anfangs durch die gezielte Manipulation von Genen anfällig für Mutationen. Mutationen wiederum lassen das Risiko der Entstehung von Krebs enorm ansteigen. Zunächst suchte man daher nach verbesserten Herstellungsverfahren, um dieses Risiko auf ein Minimum abzusenken. Dies ist gelungen, denn man hat mittlerweile die Signalwege bei Stammzellen besser verstanden. Moderne IPS-Zellen werden heute nicht mehr durch genetische Modifikationen erzeugt, sondern die Reprogrammierung erfolgt ausschließlich mithilfe von Proteinen und Chemikalien.

Experten beurteilen diese induzierten, pluripotenten Stammzellen im Hinblick auf Mutations- und Krebsrisiken als sicherer als embryonale Stammzellen.