Pluripotente Stammzellen

Definition: Was sind pluripotente Stammzellen?

Pluripotente Stammzellen sind für die Wissenschaft von großem Interesse, da sie die besondere Fähigkeit besitzen, sich in jeden Zelltyp des Organismus auszudifferenzieren. Die rund 100 Billionen Körperzellen des Menschen lassen sich mehr als 200 verschiedenen Zelltypen zuordnen und bilden ganz unterschiedliches Gewebe: Haut, Muskeln, Knochen, Blutgefäße, Nervenzellen, Leberzellen oder Herzzellen.

Normalerweise sind nur die frühen embryonalen Stammzellen zu dieser Meisterleistung in der Lage. Sie entstehen in einem zeitigen Stadium der Embryonalentwicklung und sind anfangs nur auf Teilung ausgelegt, d. h. aus einer Mutterzelle entstehen zwei Tochterzellen mit den identischen Eigenschaften der Mutterzelle. Bereits drei bis vier Tagen nach der Befruchtung hat sich die Urstammzelle, die Zygote, durch Teilung zu einem Zellhaufen entwickelt, der an eine Maulbeere erinnert. In diesem sogenannten Morula-Stadium sind alle aus der Urstammzelle hervorgegangenen 16 bis 32 Zellen totipotent. Das heißt, aus jeder einzelnen Zelle heraus kann ein vollständiger Organismus entstehen wie dichoriale, eineiige Mehrlinge beweisen. Doch die Morula entwickelt sich weiter zur sogenannten Blastozyste. Sie besteht aus rund 100 Zellen. Hier kommt es zu einer ersten Differenzierung, denn die Zellen ordnen sich innerhalb der Schutzschicht, der Zona pellucida, neu an. Es entsteht mit dem Trophoblast eine äußere Zellschicht sowie mit dem Embryoblast eine innere Zellschicht. Aus dem Trophoblast werden sich Plazenta und Fruchtblase bilden. Aus dem Embryoblast entwickelt sich ein kompletter, kleiner Mensch, der nach neun Monaten das Licht der Welt erblickt.

Mit diesem ersten Differenzierungsschritt verlieren die embryonalen Stammzellen allerdings ihre Totipotenz. Sie sind ab diesem Moment nur noch pluripotent. Das bedeutet: Aus ihnen können nach wie vor alle Gewebe, Drüsen und Organe entstehen. Jedoch wird sich aus diesen Stammzellen von alleine keine Morula und auch keine Blastozyste mehr entwickeln können. Laut Definition versteht man unter Pluripotenz, dass die Stammzellen in der Lage sind, sich zu allen drei Keimblättern (Ektoderm, Endoderm und Mesoderm) zu entwickeln. Die Zellen verlieren aber die Fähigkeit, extraembryonales Gewebe zu bilden. In der konkreten Abgrenzung von totipotent zu pluripotent bedeutet das: Die Stammzellen vermögen also nicht mehr „alles“ (= toti) sondern nur noch „mehr“ (= pluri).

Nach der Geburt gibt es nur noch adulte Stammzellen. Diese sind multipotent und damit noch ein Stück festgelegter. Sie sind also keine so großen Generalisten mehr wie die pluripotenten Stammzellen während der Embryonalentwicklung.

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Einordnung der Stammzellenarten in die Hierarchie nach dem Differenzierungspotenzial (Bildquelle: Eigene Grafik von familien-gesundheit.de)

 

Anwendung von pluripotenten Stammzellen: Große Hoffnung bei bislang unheilbaren Krankheiten

Die Stammzellenforschung hofft, mit Hilfe der pluripotenten Stammzellen Therapien und Heilungsmöglichkeiten bei bislang unheilbaren Krankheiten zu finden. Hierbei sind besonders die neurodegenerativen Erkrankungen wie z. B. Chorea Huntington oder die Amyotrophe Lateralsklerose zu nennen. Doch bevor die Stammzellen in der Therapie beim Menschen zum Einsatz kommen, muss zunächst die Wirksamkeit aber auch die Sicherheit nachgewiesen werden. Dafür sind umfassende klinische Studien erforderlich, die eindeutig belegen, dass von den pluripotenten Stammzellen beispielsweise kein erhöhtes Tumorrisiko ausgeht und die Stammzellen vom Körper gut verträglich sind.

Embryonale, pluripotente Stammzellen lassen sich allerdings nur in einem sehr frühen Stadium der Embryonalgenese gewinnen. Bei ihrer Gewinnung wird bislang der Embryo komplett zerstört. Das verursacht große ethische Konflikte, die mit dem generellen Schutz des Lebens und der Menschwürde nicht vereinbar sind. Die Forschung arbeitet deshalb an schonenderen Gewinnungsverfahren. Doch bis diese bereitstehen, ist die Forschung an den besonderen „Alleskönner-Zellen“ stark reglementiert. Von daher suchen Wissenschaftler nach Alternativen.

 

Sind induzierte, pluripotente Stammzellen in Zukunft die Alternative?

Im Jahr 2006 gelang es japanischen Forschern am reproduktionsmedizinischen Institut der Universität Kyoto unter Führung von Shin’ya Yamanaka erstmalig, adulte, menschliche Körperzellen so zu verändern, dass sie in ihren Eigenschaften embryonalen Stammzellen ähnelten. Dazu mussten vier Gene gezielt in die Zellen eingeschleust werden, um die Zellen zu reprogrammieren und damit in eine Art Urzustand zurückzuversetzen. Die entstandenen Zellen werden von Fachleuten als induzierte, pluripotente Stammzellen (IPS) bezeichnet. Für die Entwicklung der IPS-Zellen erhielt Shin’ya Yamanaka 2012 übrigens nicht nur den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin, sondern auch den Millennium Technology Prize.

Ethisch und rechtlich sind die induzierten, pluripotenten Stammzellen bei Weitem nicht so umstritten wie embryonale Stammzellen. Sie werden in der Regel aus Hautzellen gewonnen, die sich durch eine einfache Biopsie entnehmen lassen. Doch die genetische Veränderung der Zellen kann dazu führen, dass Anomalien und Mutationen entstehen, die wiederum die Bildung von Krebsgeschwüren begünstigen könnten. Man arbeitet daher derzeit an Verfahren, um die Erzeugung sicherer und die Einschleusung von Genen überflüssig zu machen, indem ausschließlich durch bestimmte Botenstoffe und Wachstumsfaktoren Signalwege aktiviert werden. Die Forscher hoffen, dass induzierte, pluripotente Stammzellen in der Zukunft zu therapeutischen Zwecken eingesetzt werden können, denn sie bringen einen weiteren Vorteil mit: Da die IPS-Zellen vom Patienten selbst stammen können, ließe sich das Problem der Immunabstoßung von fremden Gewebe und Zellen mit ihrer Hilfe umgehen.

In der Grundlagenforschung werden induzierte, pluripotente Stammzellen heute allerdings bereits eingesetzt. Sie sollen beispielsweise helfen, die Prozesse bei der Entstehung von Demenz und Parkinson besser zu verstehen. Da Wissenschaftler nicht einfach so neuronale Stammzellen bei ihren Patienten aus dem Gehirn entnehmen können, greifen sie auf die induzierten, pluripotenten Stammzellen aus adulten Körperzellen zurück. Sie verwandeln die IPS-Zellen dann in neuronale Stammzellen und versuchen, deren Verfall zu stoppen bzw. zu verstehen, was diese von neuronalen Stammzellen von gesunden Patienten unterscheidet.