Neuronale Stammzellen

Definition: Was sind neuronale Stammzellen?

Bei neuronalen Stammzellen, auch neurale Stammzellen genannt, handelt es sich um undifferenzierte Zellen, die sich zu allen Zellarten des Zentralen Nervensystems (ZNS) weiterentwickeln können. Während der Schwangerschaft entwickeln sich so Milliarden von Nervenzellen und bauen damit das Zentrale Nervensystem auf. Nur durch eine starke Zellteilung und Differenzierung ist eine solche Meisterleistung möglich. Während der Embryonalentwicklung bilden sich im Gehirn des Fötus unzählige Neuronen. Der Großteil wird bereits vor der Geburt wieder abgebaut, sodass ein Baby mit etwa der gleichen Anzahl an Gehirnzellen wie ein Erwachsener ins Leben startet: 100 Milliarden Nervenzellen. Diese sind jedoch noch nicht so stark vernetzt. Das Defizit holt das Baby- und Kleinkindgehirn in den nächsten Monaten und Jahren auf. Es lernt und lernt und lernt. Während des ersten Lebensjahrzehnts erreicht die „Verdrahtung des Gehirns“ mit 200 Billionen Schnittstellen in Form von Axonen ihren Höhepunkt. Danach erfolgt ein langsamer Abbau.

Die Länge aller Nervenbahnen im Gehirn eines erwachsenen Menschen beträgt schätzungsweise 5,8 Millionen Kilometer. Um die gleiche Strecke zurückzulegen, müsste man 145 mal den Äquator umrunden. All das entwickelt sich am Ende aus der Urkeimzelle, der Zygote. Sie entsteht, wenn die Eizelle der Frau mit dem Spermium des Mannes verschmilzt. Ein Wunderwerk der Natur!

 

Die Entdeckung der neuronalen Stammzellen

Wissenschaftler gingen lange Zeit davon aus, dass sich im erwachsenen Gehirn keine neuen Nervenzellen mehr bilden. Sie erklärten deswegen: Eine Neurogenese wie im Mutterleib fände damit nicht mehr statt. Bis weit in die 1990er Jahre galt das Dogma „Es regeneriert sich nichts. Was verloren ist, bleibt verloren.“ Doch dann kam Peter Erikson, ein schwedischer Forscher. Ihm gelang 1998 der Nachweis, dass es auch im erwachsenen Gehirn neuronale Stammzellen gibt, aus denen sich durchaus beständig neue Nervenzellen bilden.

Im Bereich des Hippocampus befindet sich ein Reservoir von neuralen Stammzellen. Dieses Gehirnareal ist für das Gedächtnis zuständig. Untersuchungen konnten belegen, dass hier die Bildung von neuen Nervenzellen eng mit dem Lernen, also dem Sammeln neuer Gedächtnisinhalte, verbunden ist. Damit ist der menschliche Denkapparat durchaus befähigt, beständig neue Nervenzellen aus den neuronalen Stammzellen nachzubilden und kann sich so zu regenerieren. Dies erklärt auch das Vermögen des Gehirns, Schäden nach einem Schlaganfall oder einem Gehirntumor zu reparieren und so Ausfallerscheinungen im Laufe der Zeit zu kompensieren.

Allerdings ist die Zahl der neuronalen Stammzellen am Ende begrenzt, sodass sie sich nur schwer gewinnen lassen. Dennoch sind sie für die Stammzellenforscher hochinteressant. Hier muss die Grundlagenforschung beispielsweise die Frage klären: Wie arbeiten neuronale Stammzellen und Biochemie zusammen? Welche Botenstoffe und Wachstumsfaktoren lösen die Reparatur- und Regenerationsprozesse aus, sodass sich neuronale Stammzellen teilen und sich danach zu Nervenzellen weiterentwickeln?

 

Neuronale Stammzellen in der medizinischen Anwendung

Zunächst müssen diese komplexen Prozesse bis ins Detail verstanden werden. Erst danach kann man sich daran machen, einzelne Schritte gezielt zu manipulieren. Vielleicht ließe sich so ein Abbau von Nervenzellen verhindern bzw. ein Aufbau begünstigen? Gerade bei neurodegenerativen Krankheiten wie Alzheimer oder Parkinson bietet dieser Ansatz Hoffnung auf Heilung – zumindest auf eine verbesserte Therapie. Gelänge es hier, die Neuronen vor der Zerstörung zu schützen, ließe sich die Krankheit aufhalten. Die Fähigkeiten und Fertigkeiten der Patienten blieben erhalten. Damit wäre für die Betroffenen ein großes Stück Lebensqualität bewahrt.

Mithilfe von Zebrafischen konnten Forscher der TU Dresden zeigen, dass sich neuronale Stammzellen meist asymmetrisch teilen. Dabei bleibt eine der Tochterzellen eine Stammzelle, d. h. sie „erbt“ alle Eigenschaften der Mutterzelle. Die zweite Tochterzelle entwickelt sich weiter und differenziert sich in eine Nervenzelle. Daneben existiert aber auch ein Zelltyp unter den Vorläuferzellen, der sich direkt in Neuronen verwandelt. Damit sinkt allmählich die Anzahl der Stammzellen.
Im geschädigten Gehirn kommt es zusätzlich zu Veränderungen bei der symmetrischen Teilung. Hier entstehen im Normalfall aus einer Stammzelle zwei Tochterzellen mit den gleichen Eigenschaften der Mutter. Bei Verletzungen entstehen aus einer neuronalen Stammzelle aber nicht zwei Stammzellen, sondern zwei sich differenzierende Zellen. Sie haben dann ihre besonderen Eigenschaften als Stammzelle verloren.

Um ihren Zielen näher zu kommen, benötigen die Forscher allerdings neuronale Stammzellen. Diese werden meist aus induzierten, pluripotenten Stammzellen (IPS) gezüchtet, da sie kaum per Biopsie am „lebenden Objekt“ gewonnen werden können. Bei den IPS-Zellen handelt es sich in der Regel um reprogrammierte Hautzellen, die sich beinahe wie embryonale Stammzellen verhalten. Mittlerweile können Wissenschaftler aus Stammzellen bereits Minigehirne wachsen lassen. Diese sogenannten Organoide ähneln dem menschlichen Gehirn in einem sehr frühen Schwangerschaftsstadium. An den Minigehirnen werden unter anderem neue Medikamente getestet. Man kann so sehen, ob diese die Gehirnentwicklung von Embryonen beeinträchtigen würden und somit Frauen die Einnahme bei Kinderwunsch oder während der Schwangerschaft abgeraten werden müsste.