Totipotente Stammzellen

Definition: Was sind totipotente Stammzellen?

Stammzellen gelten als wahre Wunderzellen und sind deshalb der große Hoffnungsträger der Medizin der Zukunft. Mit ihrer Hilfe soll es möglich sein, Patienten mit bislang unheilbaren Krankheiten zu helfen. Die Stammzellen sollen dabei die Grundlage für neue Therapien sein. Mit Hochdruck arbeitet die Wissenschaft daran, die „Wunderzellen“ bis ins letzte Detail zu verstehen, um schließlich im Organismus gezielt Regenerations- und Reparaturprozesse anzustoßen.

Der Grundlagenforschung gelang es, den Stammzellen bereits viele Geheimnisse zu entlocken. So ist heute bekannt, dass man die Vorläuferzellen in drei große Kategorien einteilen kann. Man kann sie nach dem ontogenetischen Alter, nach dem Zelltyp und ihrer Potenz unterscheiden. Damit ist auch klar, dass es ganz unterschiedliche Arten von Stammzellen gibt.

 

Totipotente Stammzellen vs. unipotente Stammzellen: Von Gegensätzen und Gemeinsamkeiten

Bei der Potenz, also der Fähigkeit einer Stammzelle, sich in verschiedene Zelltypen und Gewebe auszudifferenzieren, gibt es wiederum verschiedene Abstufungen. Die Pole reichen von den Generalisten – nämlich den totipotenten Stammzellen – bis hin zu Spezialisten – nämlich die unipotenten Stammzellen. Die Stammzellenforscher kennen mittlerweile eine wichtige Gesetzmäßigkeit: Je früher sich eine Stammzelle entwickelt, desto größer ist ihre Potenz. Die totipotenten Stammzellen stehen ganz am Anfang der Embryonalgenese, kurz nachdem Ei- und Samenzelle verschmolzen sind. Die unipotenten Stammzellen dagegen entstehen recht spät – nämlich erst dann, wenn sich die Stammzelle schon sehr weit ausdifferenziert hat und beinahe eine adulte Körperzelle ist.

Der Name totipotente Stammzelle leitet sich übrigens vom lateinischen Wort „totus“ ab. Es lässt sich mit „ganz“ übersetzten. Als Synonym existiert auch der Begriff der omnipotenten Stammzellen. Er gilt unter Experten allerdings als leicht veraltet. Sowohl „omnis“ (= alles) als auch „totus“ zielen auf eine besonderer Fähigkeit dieser Sorte von Stammzellen ab: Totipotente Stammzellen sind in der Lage, sich zu einem eigenständigen Organismus zu entwickeln.

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

 

Zu welchem Zeitpunkt entstehen die totipotenten Stammzellen?

Wie bereits erwähnt, entstehen die totipotenten Stammzellen ganz am Anfang der Entwicklung eines Babys. Die befruchtete Eizelle, die sogenannte Zygote, gilt als Urstammzelle. Nach 9 Monaten haben sich aus ihr die rund 100 Billionen Zellen des Menschen gebildet. Sie hat letztlich das Potenzial, sich in die über 200 bekannten, unterschiedlichen Zell- und Gewebearten auszudifferenzieren, die den menschlichen Organismus zu einem Wunderwerk der Natur machen.

Das Zeitfenster, in dem totipotente Stammzellen existieren, ist eng. Nur in den ersten drei bis vier Tagen nach der Befruchtung gibt es die Alleskönnerzellen. In diesem Zeitraum von 72 bis maximal 96 Stunden entwickelt sich aus der Zygote die Blastozyste, indem sich die Stammzellen symmetrisch teilen. Bei der symmetrischen Teilung entstehen aus der Mutterzelle zwei Tochterzellen mit exakt den gleichen Eigenschaften wie die Ursprungszelle. Die totipotenten Stammzellen sind zunächst nur auf Teilung ausgerichtet. Bereits nach kurzer Zeit ist aus der Zygote ein Zellhaufen entstanden, der entfernt an eine Maulbeere erinnert. In diesem Stadium heißt der Embryo bei Experten noch nicht Embryo sondern Morula. Er besteht jetzt aus 16 bis 32 Zellen. Philosophen, Ethiker und Biologen streiten noch immer, ob diese von einer Schutzschicht, der Zona pellucida, umgebenen Zellen per Definition schon ein Embryo sind und deshalb der Schutz der Menschenwürde und das Recht auf Leben hier bereits greifen.

Doch die Morula entwickelt sich schnell weiter zur Blastozyste. Hier erfolgt ein erster Differenzierungsschritt. In der Blastozyste ordnen sich die rund 100 Zellen neu an. Es entsteht mit dem sogenannten Trophoblast eine äußere Zellschicht und mit dem sogenannten Embryoblast eine innere Zellschicht. Aus dem Trophoblast wird sich in den nächsten Wochen und Monaten die Plazenta und Fruchtblase bilden. Aus dem Embryoblast wird das Baby entstehen mit allem, was dazugehört: Haut, Organe und Extremitäten. Nach neun Monaten wird das Neugeborene sich mit dem ersten Schrei das erste Mal Gehör verschaffen.

Mit dieser ersten Spezialisierung der Stammzellen geht allerdings der Verlust der Totipotenz einher. Während die Zellen der Morula sich noch in jedes Gewebe ausdifferenzieren und zur Blastozyste weiterentwickeln konnten, sind die Zellen der Blastozyste nur noch pluripotent. Das bedeutet: Nach wie vor können sich die Zellen des Embryoblasten in alle Zell- und Gewebetypen des menschlichen Körpers ausdifferenzieren. Aus ihnen kann nur kein extraembryonales Gewebe wie Mutterkuchen und Fruchthülle mehr hervorgehen. Dieses würde allerdings zur eigenständigen Entstehung eines neuen Organismus dringend benötigt.

 

Keine Totipotenz nach der Geburt

Möchten Wissenschaftler in der Stammzellenforschung mit totipotenten Stammzellen arbeiten, so müssen diese vor dem Blastozysten-Stadium gewonnen werden. Es kann sich bei totipotenten Stammzellen demnach nur um embryonale Stammzellen handeln. Die höchste, mögliche Potenzstufe bei adulten Stammzellen ist die Pluripotenz. Doch bereits fetale Stammzellen weisen vielfach nur noch die Fähigkeit der Multipotenz auf.

Nach der Geburt besitzen lediglich die Gameten, also die weiblichen Eizellen und männlichen Spermien, die Veranlagung zur Totipotenz. Allerdings ist diese Fähigkeit bei ihnen auf Eis gelegt und bedarf eines Aktivators: Eine männliche Samenzelle muss mit einer weibliche Eizelle verschmelzen, damit das Wunder „Menschwerdung“ von vorn beginnt.

Zur Gewinnung von totipotenten Stammzellen muss im Reagenzglas genau zu diesem Zweck eine Zygote erschaffen werden. Das Gewinnen der Stammzellen erfolgt dann am dritten Tag nach der Befruchtung. Der Zellhaufen und damit der Embryo wird dabei komplett zerstört. Das führt zu großen ethischen Konflikten, weswegen embryonale und damit auch totipotente Stammzellen sowohl in Fachkreisen als auch in der Öffentlichkeit so kontrovers diskutiert werden.

Der deutsche Gesetzgeber hat für sich festgelegt, dass die Zellen der ersten Teilungsstadien den gleichen Schutz genießen wie ein Embryo. Damit besitzt jede einzelne totipotente Stammzelle per Definition eine Menschenwürde und hat ein Recht auf Leben. Das Embryonenschutzgesetz ist daher auch auf diese Stammzellenart anzuwenden. Es ist damit in Deutschland verboten, aus befruchteten Eizellen embryonale Stammzellen zu gewinnen und so die Zerstörung eines Embryos bewusst in Kauf zu nehmen. Allerdings muss der Gesetzgeber auf der anderen Seite die Freiheit der Forschung gewährleisten. Es gibt daher das Stammzellengesetz, das die Einfuhr von embryonalen Stammzellen für Forschungszwecke in einem sehr begrenzten Rahmen ermöglicht.

 

Suche nach Alternativen: Ist Totipotenz im Reagenzglas möglich?

Da die totipotenten, embryonalen Stammzellen aufgrund ihrer ganz besonderen Eigenschaften für die Stammzellentherapie extrem interessant sind, sucht die Wissenschaft nach Alternativen. Zum einen arbeitet man an „ressourcenschonenderen“ Verfahren der Stammzellengewinnung, sodass eben nicht der Embryo zerstört wird. Auf der anderen Seite sucht man auch nach weiteren Ausweichmöglichkeiten. Man hat diese teilweise in den sogenannten induzierten, pluripotenten Stammzellen gefunden (kurz IPS-Zellen). Hier werden ganz normale Körperzellen im Labor so umgewandelt, dass sie sich am Ende wie pluripotente Stammzellen verhalten. Die in einen Urzustand zurückversetzten Zellen haben bereits die Stammzellenforschung revolutioniert, denn nun können Forscher ohne große Debatten und mit verhältnismäßig wenig Aufwand an neue Stammzelllinien gelangen. Für die IPS-Zellen entnimmt man freiwilligen Spendern in der Regel einfach ein paar Hautzellen. Dies geht unkompliziert per Biopsie. Nach der Manipulation mit Hilfe von Chemikalien und Proteinen sind die induzierten, pluripotenten Stammzellen in der Lage, sich in jedes Gewebe weiterzuentwickeln – mit einer Einschränkung: Aus IPS-Zellen wird keine Morula und damit auch keine Blastozyste mehr. Es kann somit auch kein lebensfähiger Organismus aus sich selbst heraus entstehen.

Und warum gibt es die Ausführung hier? IPS-Zellen sind doch pluripotent und nicht totipotent! Berechtigte Frage! Was bislang unerwähnt blieb … Kürzlich bemerkten Forscher, dass beim Erzeugen von induzierten, pluripotenten Stammzellen in ganz seltenen Fällen auch totipotente Stammzellen entstehen können. Nun muss herausgefunden werden: Unter welchen Bedingungen entstehen die „Allround-Genies“ und wie kann man diese Zellen von „normalen“ IPS-Zellen unterscheiden? Was sind konkrete Merkmale für eine gezielte Selektion? Welche Prozesse laufen da auf molekularer Ebene ab? Noch gibt es mehr Fragen als Antworten zu den künstlich erzeugten, totipotenten Stammzellen. Doch die Möglichkeit, nicht nur „Vielkönnerzellen“ sondern wahre „Alleskönnerzellen“ zu erschaffen, elektrisiert die Forschergemeinde und spornt an, die letzten Geheimnisse der Stammzellen zu enträtseln.