Stammzellen

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Einleitung

Stammzellen, undifferenzierte Zellen von Menschen und Tieren (siehe Entwicklungsbiologie: Differenzierung).

Man unterscheidet embryonale Stammzellen, aus denen sich beim menschlichen Embryo jeder der etwa 210 Zelltypen entwickeln kann, von adulten Stammzellen, die sich zu verschiedenen Zelltypen differenzieren können und abgestorbene Zellen des Körpers ersetzen und Gewebeschäden reparieren. Bei Wirbeltieren und beim Menschen gibt es adulte Stammzellen u. a. im Knochenmark, im Gehirn, in den Geschlechtsorganen, in der Haut und im Dünndarm. Stammzellen sind in der Lage, sich zu teilen und neue Stammzellen zu bilden.

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Embryonale Stammzellen

In der Embryonalentwicklung kommt es im frühen Stadium der Blastozyste zur Bildung von totipotenten Stammzellen, Zellen also, die sich zu jeder Gewebeart des Organismus entwickeln können. Wissenschaftlern gelang es, Stammzellen aus menschlichen Embryonen zu kultivieren und zu vermehren. Die noch nicht überschaubaren Einsatzmöglichkeiten dieser Zellen liegen in der Gentherapie, der Züchtung von Organen, wie etwa Leber- oder Nervengewebe zum Ersatz von geschädigten Organen, bis hin zum Klonen von Menschen.

Embryonale Stammzellen sind zwar totipotent, aber dennoch nicht gleich: Im Tierversuch entstand bei einem Embryo im Zweizellstadium aus einer der Zellen der gesamte Organismus, aus der anderen nur Nährgewebe wie Teile der Plazenta. Bereits im Zweizellstadium ist demnach die weitere Entwicklung der Zellen festgelegt, die Differenzierung ist jedoch noch in einem späteren Stadium reversibel (Development, 2001).

Im Labor wurden unbefruchtete menschliche Eizellen (die sich nicht zu einem Embryo entwickeln könnten) zur Teilung angeregt und auf diese Weise Stammzellen für Forschungszwecke gewonnen (New Scientist, 2003). Darüber hinaus wurden aus embryonalen Stammzellen von Mäusen Eizellen und Spermien gezüchtet (also die Embryonalentwicklung sozusagen rückläufig gemacht; Science, 2003; New Scientist, 2003).

In Deutschland ist die Forschung an importierten embryonalen Stammzellen des Menschen einem Beschluss des Deutschen Bundestages entsprechend seit 2002 unter strengen Auflagen zugelassen. Um eine nachträgliche Tötung von Embryonen für deutsche Forschungsvorhaben auszuschließen (siehe Embryonenschutzgesetz), wurde eine Stichtagsregelung eingeführt: Danach durften nur Stammzellenlinien verwendet werden, die vor dem 1. Januar 2002 existiert hatten. Da die zur Forschung eingesetzten Zelllinien nach einigen Jahren durch Mutationen verändert und durch die Forschungsarbeiten verunreinigt waren, setzte der Bundestag 2008 den 1. Mai 2007 als neuen Stichtag fest. Forscher in Deutschland erhielten damit die Möglichkeit, an jüngeren Zelllinien zu forschen. Den Auflagen des von Bundeskanzler Gerhard Schröder berufenen Nationalen Ethikrates entsprechend dürfen ausschließlich Stammzellen importiert werden, die bei künstlichen Befruchtungen übrig geblieben sind. Außerdem müssen die Paare, von denen die Zellen stammen, der Forschung zustimmen. Die Bürger der Schweiz stimmten 2004 in einem Referendum einer Gesetzesvorlage zu, wonach Stammzellenforschung in der Schweiz an Embryonen zulässig ist, die bei künstlichen Befruchtungen übrig geblieben sind.

In Deutschland darf an den importierten embryonalen Stammzellen vorerst nur im Labor Forschung betrieben werden, sie dürfen nicht für therapeutische Zwecke am Menschen erprobt werden. Ein Grund dafür ist die Verunreinigung der betreffenden Zelllinien durch tierische Gewebe: Zur Zucht der embryonalen Zellen müssen die Kulturschalen mit lebenden Zellen ausgekleidet sein, wofür man in der Regel Zellen von Mäusen verwendet. Die Stammzellen können deshalb von Tieren stammende Moleküle aufnehmen und nach einer Implantation vom menschlichen Immunsystem angegriffen werden (Nature Medicine, 2005); ein weiteres Risiko ist eine mögliche Kontamination mit dem im Mäusegenom ruhenden Erbmaterial von Retroviren. Zudem besteht das Problem, dass Stammzellen älterer Linien zu genetischen Veränderungen neigen, wie sie für Krebszellen typisch sind (Nature Genetics, 2005).

In Großbritannien erteilte die für Stammzellenforschung zuständige Behörde Forschern 2007 die Genehmigung, die Eizellen von Rindern zu entkernen, stattdessen menschliche Zellkerne einzufügen und die Zellen zur Teilung anzuregen. Der Vorteil dieses Verfahrens mit so genannten cytoplasmatischen Hybrid-Embryonen besteht darin, dass keine menschlichen Eizellen verwendet werden müssen und die erzeugte Stammzellenlinie dennoch fast ausschließlich menschliche Erbanlagen aufweist (die in der tierischen Eizelle enthaltene DNA der Mitochondrien kann nicht ausgetauscht werden).

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Adulte Stammzellen

3.1

Stammzellen der Blutbildung

Ort der Blutbildung (Hämatopoese) ist das Knochenmark. Alle Blutzellen, wie Erythrozyten, Leukozyten und Megakaryozyten (siehe Thrombozyten), stammen von so genannten pluripotenten (zu vielseitiger Differenzierung fähigen) Stammzellen ab. Bei deren Teilung (Mitose) entstehen unipotente (nur zu bestimmter Differenzierung fähige) Stammzellen. Diese entwickeln sich bei ihrer Vermehrung nur noch zu einer bestimmten Zellart, z. B. zu Erythrozyten. Diese Vorgänge werden durch Wachstumsfaktoren reguliert. So ist beispielsweise für die Entwicklung der Erythrozyten das in der Niere gebildete Erythropoietin notwendig. Im Knochenmark Erwachsener wurden jedoch auch Stammzellen gefunden, die zu denselben Differenzierungen fähig sind wie embryonale Stammzellen (New Scientist, 2002).

Bei der Leukämie, einer Krebserkrankung der Blut bildenden Organe, ist es oft notwendig, die Stammzellen des Knochenmarks durch Bestrahlung zu zerstören, um dann mit einer Knochenmarktransplantation gesunde Stammzellen zu übertragen. Seit einiger Zeit ist es möglich, statt des Knochenmarks eines Spenders Stammzellen aus dem Nabelschnurblut Neugeborener zu übertragen. Diese Methode hat gegenüber der Knochenmarktransplantation den Vorteil einer geringeren Abstoßung, einer besseren Verträglichkeit und einer größeren Verfügbarkeit.

Stammzellentherapien durch Übertragung von Knochenmarkszellen wurden – mit widersprüchlichen Ergebnissen – auch bei Herzpatienten angewandt. Früheren Studien zufolge nahm bei Infarktpatienten die Schlagkraft des Herzens nach der Behandlung zu, und Herzareale waren besser durchblutet; Angina-pectoris-Patienten hatten deutlich weniger Anfälle. Nach einer 2005 veröffentlichten größeren belgischen Studie konnte jedoch durch den Einsatz von Knochenmarkszellen nach einem Herzinfarkt keine Verbesserung der Durchblutung oder Schlagkraft des Herzens erzielt werden.

3.2

Stammzellen anderer Gewebe

Aus Fettgewebe wurden Stammzellen gewonnen, die sich zu Knochen-, Knorpel- oder Muskelzellen differenzierten (Tissue Engineering, 2001). Neuronale Stammzellen können sich nicht nur zu Nervenzellen differenzieren, sondern auch völlig andere Zelltypen wie Muskel- und Blutzellen bilden (Proceedings of the National Academy of Sciences, 2001). Im Tierversuch gelang es, Hirnschäden durch bereits im Gehirn vorhandene neuronale Stammzellen zu reparieren, indem diese Zellen durch ein wachstumsförderndes Protein (TGF-a) angeregt wurden: Die Stammzellen vermehrten sich, wanderten an den Ort des Hirnschadens und entwickelten sich dort zu Nervenzellen. Stammzellen der Zahnwurzelhaut wurden isoliert und im Labor vermehrt; ungewiss ist allerdings, ob die Geweberegeneration auch im Kiefer eines Patienten, um einen durch Parodontitis geschädigten Zahnhalteapparat zu regenerieren, erfolgreich wäre (Stem Cells and Development, 2007).

Nachdem es 2006 gelungen war, Hautzellen von Mäusen in so genannte induzierte pluripotente Stammzellen zu verwandeln, Stammzellen also, die sich zu vielfältigen anderen Zelltypen differenzieren können, waren entsprechende Experimente 2007 auch mit Hautzellen des Menschen erfolgreich. Für diese Versuche wurden jeweils mit Hilfe von Viren, die als Transportvehikel dienten, bestimmte Gene in die Hautzellen eingefügt, wodurch sich diese in Stammzellen zurückverwandelten (Cell, 2006, 2007; Science, 2007). Aus Haut gewonnene Stammzellen könnten künftig statt embryonaler Stammzellen für die Erforschung therapeutischen Klonens verwendet werden, womit sich die mit embryonalen Stammzellen verbundenen ethischen Probleme umgehen ließen. Der humanmedizinische Einsatz solcher Zellen erfordert jedoch eine Weiterentwicklung des bisherigen Verfahrens, insbesondere weil die dabei verwendeten Viren Krebs auslösen könnten und weil fremde Gene in die Zellen eingeschleust werden.