Steuerung von Stammzellen

Wie steuert der Körper die Stammzellen?

Forscher aus Luxemburg sind der Frage nachgegangen, wie es der Organismus schafft, Stammzellen zu steuern. Die Antwort auf die Frage kann dabei helfen, neue Stammzellentherapien zu finden beziehungsweise bereits existierende Therapien weiter zu verbessern.

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Der Prozess der Differenzierung von Stammzellen verläuft nicht so geradlinig wie bislang gedacht. Die Abläufe ähneln daher nicht an einer Zugfahrt auf direkter Strecke von A nach B, sondern eher einem Roulettespiel. Erst wenn die Stammzelle die zu ihren Eigenschaften passende Stammzellnische gefunden hat, siedelt sie sich dort an und es erfolgt die endgültige Ausdifferenzierung.

 

Das Team vom LCSB (Luxembourg Centre for Systems Biomedicine), das an der Université du Luxembourg forscht, veröffentlichte seine Ergebnisse jüngst im angesehenen Fachjournal PLOS Biology.

 

Wie schaffen es Stammzellen sich trotz identischen Bauplans in unterschiedliche Zelltypen zu entwickeln?

Fakt ist, dass alle Körperzellen den selben Bauplan – nämlich die DNA, in der das Erbgut gespeichert ist – besitzen. Dennoch gibt es unterschiedliche Zelltypen, die ganz verschiedene Aufgaben übernehmen: beispielsweise Blutzellen, Knochenzellen, Herzzellen, Leberzellen, Nervenzellen oder Hautzellen. Forscher haben mittlerweile recht gut verstanden, wie einzelne Zellen „ticken“, d. h. wie sie funktionieren. Doch noch immer ist nicht bis ins letzte Detail verstanden, wie aus der gleichen genetischen Blaupause so verschiedene Zelltypen entstehen können und wie sie an die richtige Position im Körper gelangen, denn eine Nierenzelle im Gehirn nutzt schließlich nicht viel.

Um diese Prozesse besser verstehen zu können, behandelte das Forscherteam des LCSB murine Blutstammzellen mit Wachstumshormonen. Danach untersuchten die Wissenschaftler das Verhalten der Vorläuferzellen während der Differenzierung in rote Blutkörperchen (Erythrozyten) und weiße Blutkörperchen (Leukozyten). Diesen Vorgang bezeichnen Experten als Hämatopoese. Die Forscher konnten zeigen, dass die Verwandlung nicht geradlinig verläuft und ein Ziel verfolgt, sondern eher opportunistischer Natur ist. Das bedeutet: Die Vorläuferzelle passt sich den Bedürfnissen der Umgebung an. So sorgt der Organismus dafür, dass neue Zellen genau dort im Körper entstehen, wo sie auch tatsächlich benötigt werden.

 

Prozess der Ausdifferenzierung gleicht keiner geraden Zugfahrt von A nach B

Bislang stellten sich die Wissenschaftler den Differenzierungsprozess wie eine Zugfahrt vor: Man kauft einmal einen Fahrschein für eine bestimmte Zugstrecke, steigt in den Zug ein und kommt am gewünschten Ziel heraus. Dem ist nicht so. Die Vorläuferzelle steigt zwar in den Zug ein, steigt unterwegs aber mehrfach aus und schaut sich um. Sie wählt dann immer wieder neu die Fahrtrichtung, die für sie aktuell am besten ist.

Dieser Mechanismus scheint zunächst etwas chaotisch und suboptimal zu sein. Doch nur so kann ein mehrzelliger Organismus die Produktion von neuen Zellen an den momentanen Bedarf anpassen. Bevor aus einer Stammzelle endgültig eine normale Körperzelle wird, verliert die Vorläuferzelle zunächst einen Teil der Stammzelleneigenschaften. Erst danach wird gefragt, welche Zelllinie genau benötigt wird. Am Schluss verwandelt sich die Zelle in den Zelltyp, der am besten zu ihren angelegten Eigenschaften passt und der in ihrer Umgebung gerade benötigt wird.

 

Stammzellen spielen Differenzierungsroulette: Erst, wenn Eigenschaften und Nische passen, erfolgt die Weiterentwicklung zur benötigten Zellart

Der Prozess ähnelt damit eher dem Roulettespiel. Hierbei sind die unterschiedlich nummerierten Vertiefungen der Roulettescheibe die verschiedenen Zelltypen. Die Stammzellen werden ins Roulette geworfen. Während sich die Scheibe dreht, wandern sie ziellos von einer Vertiefung zur nächsten. Erst wenn sie die für sich passende Umgebung finden, setzen sie zur Landung an – wie die Roulettekugel in einem Fach stoppt. Das Fach ist dabei die Stammzellnische. Kommen die Stammzellen dort zum Stehen, wird die finale Etappe eingeläutet: Sie beginnen mit der endgültigen Ausdifferenzierung und der Verwandlung in eine ganz normale Körperzelle.

Durch diesen ausgeklügelten Mechanismus kann der Körper einerseits die Versorgung mit frischen Zellen geordnet sicherstellen. Anderseits verhindert der Organismus, dass Stammzellen frühzeitig fehlgeleitet werden. Schlägt nämlich eine Stammzelle den falschen Weg ein, wird sie rechtzeitig aussortiert und umgeleitet, wenn sich herausstellt, dass ihre Eigenschaften für die Nische nicht geeignet sind.

Den Luxemburger Wissenschaftler gelang es, mit ihren Untersuchungen zu zeigen, dass das Schicksal einer Stammzelle nicht von Anfang an fest vorgezeichnet ist und damit nicht immer in geraden Bahnen verläuft. Auch wenn die Untersuchungen auf dem Verhalten von hämatopoetischen Stammzellen basieren, sind sich die Forscher sicher, dass die Beobachtungen ebenso auf andere Stammzellenarten zutreffen. Bei den künstlich reprogrammierten Stammzellen, den induzierten pluripotenten Stammzellen (IPS-Zellen), beispielsweise zeigten sich im Labor sehr ähnliche Muster während der Differenzierung.

 

Verbesserung der Stammzellentherapien durch die Erkenntnisse der Stammzellenforschung

Die gewonnenen Erkenntnisse können helfen, die Wirksamkeit von Stammzellentherapien zu verbessern. Beispielsweise werden Patienten körpereigene Stammzellen verabreicht, um kaputte Zellen zu ersetzten. Dieses Ziel verfolgt man unter anderem bei Parkinson-Patienten, wo krankheitsbedingt die Dopamin-produzierenden Zellen absterben. Seit Jahren wird intensiv an einer solchen Behandlungsmethode geforscht, doch die klinischen Fortschritte sind bislang begrenzt. Die Therapie ist nach wie vor umstritten, denn starke Nebenwirkungen sind nicht ausgeschlossen. Beim Einsatz von embryonalen Stammzellen besteht beispielsweise ein erhöhtes Krebsrisiko, da die auf Teilung programmierten Zellen schneller entarten können. Die Forscher hoffen jedoch, die Differenzierungsprozesse auf Grundlage der Entdeckungen in Zukunft besser steuern zu können.

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