Stammzellen - und was sie alles können

Stammzellen haben großes Potential. Welche Rolle sie in Rostock spielen und für was sie alles gut sind, erklärt euch Katharina.

Was sind Stammzellen?

In verschiedenen Zellarten unseres Körpers sind unterschiedliche Gene aktiv. In Muskelzellen sind beispielsweise andere Gene aktiv, als in Nervenzellen. Hat sich eine Zelle ausdifferenziert, sind viele Gene schon 'abgeschaltet‘ – sie sind nicht mehr aktiv und können so die Art der Zelle nicht mehr beeinflussen. Daher können sich diese Zellen, wenn überhaupt, nur noch in ihresgleichen teilen. Sie sind also 'unipotent'. Ein kleiner Teil unserer Zellen aber, die sogenannten Stammzellen, können sich noch in jede Zellart differenzieren. Sie werden deshalb auch als 'totipotent‘ bezeichnet [1]. Auf Grund dieser Eigenschaft wird ihnen in zunehmendem Maße eine große Zukunft vorhergesagt, z.B. bei der Behandlung von Wunden oder bei Erkrankungen, die einen Organ- oder Gewebeersatz erfordern.

Stammzellen werden nach zwei verschiedenen Kriterien unterschieden: nach ihrer Fähigkeit zur Differenzierung und nach ihrer Herkunft.

Die Differenzierungsgrade von Stammzellen werden unterteilt in totipotent, pluripotent und multipotent. Dabei können sich totipotente Stammzellen noch zu einem ganzen Organismus differenzieren. Diese Zellen entstehen zu Beginn des Embryonalstadiums nach der Befruchtung, dem sogenannten Zwei-Zell-Stadium. Pluripotente Stammzellen dagegen besitzen die Fähigkeit, sich in eine bestimmte Anzahl von Zelltypen differenzieren zu können. Aus multipotenten Stammzellen können nur noch Zelltypen einer bestimmten Zellart entstehen, z.B. Muskel- oder Nervenzellen.

Stammzellen können aus den beschriebenen Zellen des frühen Embryonalstadiums stammen, aber es gibt auch sogenannte 'erwachsene' oder 'adulte' Stammzellen. Embryonalen Stammzellen befinden sich im Inneren der Blastozyste und sind totipotent. Adulte Stammzellen sind im Knochenmark zu finden. Sie sind auch nach der Geburt im Organismus vorhanden und sind multipotent.

 

Stammzellforschung

Die Stammzellforschung ist noch relativ jung, aber sie schreitet in großen Schritten voran.
Alles begann, als 1963 eine Gruppe kanadischer Wissenschaftler um James Till, Ernest McCulloch und Lou Siminovitch Stammzellen im Knochenmark von Mäusen fand [3]. Fünf Jahre später wurde die erste erfolgreiche Knochenmarktransplantation von den amerikanischen Ärzten um E.D. Thomas durchgeführt. Im Jahre 1978 gelang Forschern ein weiterer Durchbruch. Es wurden pluripotente Stammzellen im Nabelschnurblut von Neugeborenen gefunden. Sie ähnelten mit ihren Eigenschaften den embryonalen Stammzellen, welche drei Jahre später durch Zufall entdeckt wurden. Im klinischen Gebrauch sind Stammzellen seit 1988. In diesem Jahr wurde erstmals in Paris ein Kind, welches unter der Krankheit Fanconie-Anämie (eine zu geringe Anzahl an weißen und roten Blutkörperchen) litt, mit Hilfe einer Transplantation von Nabelschnurblut seiner Geschwister geheilt. Stammzellen im Reagenzglas zu züchten erwies sich allerdings als sehr schwierig. Erst 1998 gelang dies dem amerikanischen Forscher James Thomson mit menschlichen embryonalen Stammzellen.

Nach und nach etablierte sich die Nutzung der Stammzellen. 1999 gelang es den Forschern Nervenzellen aus embryonalen Stammzellen von Mäusen zu züchten. Durch die Übertragung dieser neuen Nervenzellen auf Mäuse mit multipler Sklerose konnten diese geheilt werden. Die Forschung an embryonalen Stammzellen schritt voran, rückte aber in eine ethische Grauzone, als man begann mit menschlichen embryonalen Zellen zu arbeiten. Die ethisch unbedenkliche Alternative sind die adulten Stammzellen, z.B. aus dem Knochenmark oder aus dem eigenen Nabelschnurblut. Bei Menschen konnten bislang Krankheiten wie Typ-1-Diabetes, Sichelzell- und aplastische Anämie und Leukämie mit Stammzellen behandelt werden. Mittlerweile gibt es über 370 Unternehmen, die sich den Stammzellen zugewandt haben, davon sind 80 börsennotiert [4]. 20 Firmen haben ihren Sitz in Deutschland.

 

Stammzellforschung in Rostock

Seit sieben Jahren gibt es in Rostock das RTC, "Referenz- und Translationszentrum für kardiale Stammzelltherapie" www.cardiac-stemcell-therapy.com. Im biomedizinischen Forschungszentrum wird unter der Leitung von Prof. Dr. Steinhoff, Prof. Dr. David und Dr. Tiedemann nach regenerativen Therapien für kardiovaskuläre Erkrankungen geforscht. Gefördert wird das Zentrum durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung, dem Wirtschaftsministeriums des Landes Mecklenburg-Vorpommern, sowie durch Partnern aus der Industrie.

Im Jahre 2014 erschien der Report “Das nachwachsende Herz“ [5], welcher gleichzeitig das Ziel des RTC beschreibt. In Rostock sind Stammzellpopulationen die Basis der Forschung. Diese durchlaufen in der eigenen Herstellstätte nach dem "Point-of-Care"-Verfahren alle Translationsschritte von der präklinischen Forschung bis zur klinischen Anwendung. Das "Point-of-Care"-Verfahren ist eine diagnostische Methode, mit der in der Medizin neue Behandlungsverfahren patientennah getestet werden [6]. Das bedeutet, dass die Verfahren nicht nur in Diagnostiklaboren angewandt werden, sondern auch in Krankenhäusern oder Arztpraxen. Grundlage dafür ist die einfache und unkomplizierte Anwendung dieser Verfahren. Dieses Testverfahren rückt immer mehr in den Vordergrund, da es sich in den Alltag der Patienten besser integrieren lässt.

Ziel ist es, den therapeutischen Verfahren mit Stammzellen, klinische Unbedenklichkeit zu attestieren. Dies wird von der "Europäischen Arztneimittelagentur" überprüft und vergeben, wenn ein Verfahren, bzw. eine Behandlungsmethode, die ersten drei Phasen der klinischen Studien durchlaufen hat. Es gibt insgesamt vier Phasen, in denen das Medikament an immer mehr Menschen und mit steigender Dosierung (bis zur Dosis, die für eine Behandlung vorgesehen ist) getestet wird. Die vierte Phase beinhaltet eine Langzeitstudie nach der Zulassung, um auch die Spätfolgen und Nebenwirkungen nicht außer Acht zu lassen.

Am RTC wird an Herzschrittmacherzellen, an Mesp1-Progenitorzellen, an CD271+mesenchymalen Stammzellen und an CD133+ hämatopoetischen Stammzellen geforscht [5,7,8]. Zudem wird untersucht, wie die Transfektionseffizienz der Stammzellen gesteigert werden kann. Dies wird beispielsweise derzeit mit Hilfe von magnetischen Nanopartikeln versucht. Dazu werden diese Nanopartikel an non-virale Vektoren, oder an niedermolekularen Polyethylenimin (PEI) angehängt und durch Erzeugen eines elektrischen Feldes zum Zielort im Organismus gebracht.

Im Fokus der Forscher liegt auch der Regenerationsprozess des Herzens nach Infarkten. Erythropoetin ist ein körpereigener Aufbauhelfer. Das Glykoprotein-Hormon steuert im Verlauf der Hämatopoese die Bildung von Erythrozyten aus den Vorläuferzellen im Knochenmark. Es ist den Wissenschaftlern gelungen eine Verminderung der Infarktgröße und eine Erhöhung der intrakardialen Zellproliferation durch eine einmalige intramyokardiale Injektion von Erythropoetin im Rattenmodell zu erzielen.

Am RTC in Rostock läuft außerdem die klinische Studie “Intramyocardial TransPlantation of BonE MaRrow Stem Cells For ImprovEment of Post-Infarct MyoCardial RegeneraTion in Addition to CABG Surgery”, kurz: 'PERFECT'. Es handelt hierbei um die erste klinische Studie weltweit zu diesem Thema, welche bereits die klinische Phase 3 erreicht hat. In Phase 3 ist es das Ziel, die Marktzulassung des Präparates zu erreichen. Auch wollen die Forscher Vergleichsstandards für zukünftige kardiovaskuläre Stammzelltherapien setzen. Schon seit dem Jahr 2003 wird die klinische Unbedenklichkeit der intramyokardialen Stammzelltherapie getestet. Hierzu werden CD133+-Stammzellen aus dem Knochenmark benutzt. Mit diesen Zellen konnten schon starke Verbesserungen in der Pumpleistung des Herzens erzielt werden.

Dem RTC haben sich mehrere Institutionen in Nord- und Ostdeutschland angeschossen. Hierzu zählen die Universitätsmedizin Rostock, das Deutsche Herzzentrum Berlin, die Medizinische Hochschule Hannover, das universitäre Herzzentrum Hamburg, das Herzzentrum Leipzig und das Herz- und Diabeteszentrum Bad Oeynhausen.

Die Universitätsmedizin Rostock erhielt 2013 eine Bundesförderung in der Höhe von 1,2 Millionen Euro für die Stammzellforschung. Das Projekt 'Mechanismen des Lebens: Wirkstoffscreening für Stammzellforschung und Krankheitsintervention' von dem Institut für Biostatistik und Informatik in Medizin und Alternsforschung (IBIMA) wird im Jahre 2020 im Rahmen der Hightech-Strategie der Bundesregierung die Forschungszulage erhalten. Ziel dieses Projektes ist es, die Entwicklung von Krankheitsverläufen und der Wirkung von Medikamenten zu erfassen.

 

Interessante Links zum Thema:

RTC (Referenz- und Translationszentrum für kardiale Stammzelltherapie)
IBIMA

 

 

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 Quellen:

 

[1] Ulfig N.; 'Kurzlehrbuch Embryologie', Thieme Verlag Stuttgart, (2009) 2. Auflage
[2] Döhmen, G. und Reis, E. H.; Deutsches Ärzteblatt (2002) 99, A-2680/B-2285/C-2148
[3] Die Geschichte der Stammzellforschung 
[4] Handelsblatt
[5] www.cardiac-stemcell-therapy.com/report.php
[6] Caliebe D. und Bein B.; Point-ofcare-monitoring of coagulation. Anästhesiol Intensivmed Notfallmed Schmerzther (2010) 45, 740-751
[7] Steinhoff G.; Re-growth of the adult heart by stem cells? Eur. J. Cardiothorac. Surg. (2014) 45, 6-9
[8] Donndorf P. und Steinhoff G.; Adv. Exp. Med. Biol. (2013) 777, 215-227