Stammzellen

Definition: Was sind Stammzellen?

In Medizin und Wissenschaft werden Stammzellen gern als „Wunderzellen“ und „Alleskönner-Zellen“ bezeichnet. Doch was genau macht sie so besonders?

Schaut man sich eine Stammzelle unter dem Mikroskop genauer an, so lässt sie sich auf den ersten Blick nicht von einer normalen Zelle unterscheiden. Auch in ihrem genetischen Code finden sich kaum Auffälligkeiten. Und doch besitzt die Stammzelle eine Fähigkeit, die dafür sorgt, dass – salopp formuliert – „der Laden am Laufen gehalten wird“. Stammzellen können sich nämlich unbegrenzt vermehren. Sie sind von Natur aus auf „Teilung“ programmiert und damit in der Lage, Schäden am Gewebe zu reparieren. Normale Körperzellen sind zu dieser Leistung nicht mehr fähig. Nur durch Stammzellen wird der erwachsene Körper beständig regeneriert. Ohne Stammzellen würden alle Lebewesen sehr schnell einfach „kaputt gehen“ und damit sterben.

Wussten Sie schon?

Die wichtigsten Fakten zu Stammzellen im Schnellcheck

Jeder Mensch besteht aus rund 100 Billionen Körperzellen. Sie alle haben sich aus einer einzigen Urstammzelle gebildet: Der Zygote. Sie entstand, als die weibliche Eizelle und das männliche Spermium miteinander verschmolzen. Damit sind Stammzellen die Bausteine des Lebens. Durch Vermehrung und Differenzierung entstehen über 200 verschiedene Zelltypen. Eine Meisterleistung der Natur!

Stammzellen haben drei herausstechende Eigenschaften:

  • Stammzellen können sich spezialisieren. So ist eine Tochterzelle nach der Teilung in der Lage, sich zu einer spezialisierten Zelle weiterzuentwickeln. Damit entstehen beständig neue Blutzellen, Muskelzellen oder Knochenzellen. Eine kleine Verletzung oder ein glatter Knochenbruch sind deswegen in der Regel kein tödliches Problem. Die Stammzellen setzen die Selbstheilungskräfte des Körpers in Gang und übernehmen Regenerations- und Reparatur-Mechanismen.
  • Stammzellen können sich selbst erneuern. Aus der Mutterstammzelle entstehen zwei Tochterstammzellen mit identischen Eigenschaften.
  • Stammzellen sind universelle Genies. Sie sind in der Regel noch nicht auf einen Zelltyp mit bestimmten Funktionen festgelegt.

Vom Generallisten zum Spezialisten: Über die Potenz von Stammzellen

Eine Besonderheit der Stammzellen ist die sogenannte Potenz. Während normale Körperzellen auf eine Funktion fest gelegt sind, können sich Stammzellen zu ganz unterschiedlichen Gewebearten ausdifferenzieren. Experten unterscheiden bei Stammzellen mehrere Formen der Potenz. Die Spanne reicht von Totipotenz über Pluripotenz, Multipotenz und Oligopotenz bis hin zur Unipotenz. Während aus totipotenten Stammzellen ein komplett neuer Organismus entstehen kann, sind pluripotente Stammzellen noch in der Lage, sich in nahezu alle Gewebe auszudifferenzieren. Nur ein vollständiger Mensch kann aus ihnen nicht mehr werden. Am meisten festgelegt sind die unipotenten Stammzellen. Aus ihnen kann sich nur noch ein ganz bestimmter Zelltyp entwickeln. Doch zu diesem spannenden Thema an anderer Stelle, nämlich dem Beitrag „Arten von Stammzellen“, mehr.

 

Wie entstehen Stammzellen? Über die symmetrische und asymmetrische Teilung

Nach bisherigem Stand der Forschung gibt es bei Stammzellen zwei Formen der Teilung. Die symmetrische Teilung und die asymmetrische Teilung.

Bei der symmetrischen Teilung entstehen aus einer Stammzelle zwei Stammzellen. Die beiden Tochterzellen sind die exakte Kopie der Mutterzelle, d. h. sie sind identisch. Da macht Stammzellen theoretisch unsterblich, da sich in unbegrenzter Zahl vermehren können.

Die asymmetrische Teilung ist für die direkte Regeneration von Organen und Geweben zuständig, denn sie ermöglicht den Aufbau und die Reparatur von neuen, spezialisierten Zellen. Bei der asymmetrischen Teilung entstehen entweder fertig ausdifferenzierte Gewebezellen oder, wie bei den blutbildenden Stammzellen, Stammzellen mit verminderter Potenz. Das bedeutet, diese Stammzellen können sich nicht mehr zu vielen sondern nur noch zu wenigen, bestimmten Zelltypen ausdifferenzieren. Bei der asymmetrischen Teilung gehen Gene zwar nicht verloren, aber gewisse Erbinformationen können nicht mehr abgelesen und ausgeführt werden.

Aktuelle Forschungsergebnisse legen zudem nahe, dass es neben dem System der symmetrischen und asymmetrischen Teilung bei Stammzellen noch ein zweites System gibt, dass auf die asymmetrische Teilung nicht angewiesen ist. Im Darm konnten Wissenschaftler nachweisen, dass die dortigen Stammzellen engen Kontakt zu anderen Zellen halten. Diese werden als Paneth-Zellen bezeichnet. Dieser Kontakt bestimmt, ob die Stammzelle am Ende Stammzelle bleibt. Geht der Kontakt zur Paneth-Zelle nämlich verloren, differenziert sich die Stammzelle zu einer Gewebezelle aus. Da die Zahl der Paneth-Zellen konstant bleibt, bleibt auch die Anzahl der Stammzellen gleich.

 

Die spannende Geschichte der Stammzellen: Immer wieder für Überraschungen gut

Der deutsche Biologe Ernst Haeckel schuf als erster den Begriff „Stammzelle“. Er nutze ihn 1869 erstmalig zur Beschreibung der Vorfahren einzelliger Organismen, aus denen sich alle Vielzeller der Erde entwickelten.

Die Idee, dass Stammzellen auch beim Menschen existieren könnten, kam dann Anfang des 20. Jahrhunderts auf. Der russische Histopathologe Alexander Maximow formulierte eine entsprechende These erstmalig 1909. Er erforschte damals die menschliche Embryonalentwicklung. Dabei beschäftigte er sich vor allem mit den Prozessen rund um die Blutbildung. Seine damaligen Annahmen sind in ihren Grundzügen bis heute gültig. Allerdings gelang es kanadischen Forschern erst 1961, tatsächlich die Existenz von Blutstammzellen, den sogenannten hämatopoetischen Stammzellen, nachzuweisen. Heute haben sich hämatopoetische Stammzellen als unersetzlich erwiesen, wenn es um die Behandlung von Blutbildungsstörungen und Immundefekten geht. Die Stammzellentransplantation gehört mittlerweile zur Standardtherapie bei Leukämien. Sie wird aber auch bei der Therapie von anderen Krebsarten genutzt, um nach starken Chemotherapien mit anschließender intensiver Bestrahlung die Blutbildung neu anzuregen. Dazu kommen meist patienteneigene Stammzellen zum Einsatz, die vor der Therapie gewonnen wurden und nach erfolgreichem Abschluss retransplantiert werden.

Doch trotz aller Erkenntnisfortschritte sorgen Stammzellen auch immer wieder für Überraschungen. Bis weit in die 1990er Jahre galt bei Neurowissenschaftlern das Dogma „Im Gehirn erneuern sich die Nervenzellen nicht, also kann es dort auch keine Stammzellen für Nervenzellen geben.“ Erst 1998 entdeckte der schwedische Wissenschaftler Peter Eriksson, dass es im Gehirn neuronale Stammzellen gibt, die selbst im Erwachsenen-Gehirn beständig Nachschub an neuen Nervenzellen produzieren.

2012 ging der Medizin-Nobelpreis erstmalig an Stammzellenforscher. Die hochangesehene Auszeichnung erhielten der Japaner Shinya Yamanaka und der Brite John Gurdon. Yamanka wurde damit für die Entdeckung der induzierten, pluripotenten Stammzellen geehrt. Dank der Arbeit seines Forscherteams können reife Zellen wie z. B. Hautzellen zu Stammzellen umprogrammiert werden, die sich dann in jede Gewebeart ausdifferenzieren können. Die sogenannten IPS-Zellen werden hochgehandelt als Alternative für embryonale Stammzellen und fetale Stammzellen. Beide verursachen große ethische Konflikte bei der Gewinnung. Um Missbrauch vorzubeugen, hat der deutsche Gesetzgeber mit dem Embryonenschutzgesetz (EschG), dem Stammzellgesetz (StZG) sowie dem Transplantationsgesetz (TPG) und Transfusionsgesetz (TFG) entsprechend hohe gesetzliche Hürden aufgebaut und so die Rahmenbedingungen für die Stammzellenforschung und Stammzellentherapie geschaffen.

 

Stammzellquellen: Wo gibt es Stammzellen?

Stammzellen gibt es überall im Körper. Bei langsam wachsenden Geweben ist ihre Anzahl allerdings sehr gering, was ihre Gewinnung schwierig macht. Bislang können Mediziner Stammzellen recht unproblematisch aus drei Quellen gewinnen:

Stammzellen können aus Blut und Knochenmark isoliert werden. Hierfür ist entweder eine Knochenmarkspunktion oder die Stammzellapherese, also das Herausfiltern der gewünschten Zellen aus dem Blut, erforderlich.

Ganz ohne medizinischen Eingriff erfolgt die Gewinnung der Stammzellen aus der Nabelschnur. Um an das besonders stammzellreiche Nabelschnurblut zu gelangen, muss nur nach dem Abnabeln des Neugeborenen die Nabelschnurvene punktiert und das Blut aufgefangen werden. Dieser Vorgang ist für Mutter und Kind vollkommen risikolos und mit keinerlei Schmerzen verbunden. Die Entnahme der neonatalen Stammzellen, wie die Nabelschnurblut-Stammzellen auch genannt werden, dauert lediglich wenige Minuten.

Als weitere, ergiebige Stammzellquelle hat sich das Fettgewebe erwiesen. Derzeit wird intensiv daran geforscht, wie sich diese Stammzellen isolieren und konservieren lassen, um mit ihrer Hilfe Krankheiten zu therapieren.