Menü mobile menu

Stammzellforschung

Am Deutschen Primatenzentrum forscht die Abteilung Stammzellbiologie über die „Alleskönner“ Stammzellen.

Im menschlichen Körper gibt es eine Reihe verschiedener Zelltypen wie zum Beispiel Nervenzellen, Hautzellen oder die Fresszellen des Immunsystems. Sie erfüllen im Organismus spezifische Aufgaben und weisen deshalb je nach Funktion unterschiedliche Eigenschaften auf. Die Entwicklung einer Zelle zu einem spezifischen Typ nennt man Differenzierung. Dieser Vorgang ist natürlicherweise irreversibel. Differenzierte Zellen können sich daher normalerweise nicht mehr zu anderen Zelltypen weiterentwickeln.

Im Gegensatz zu differenzierten Zellen sind Stammzellen noch undifferenziert. Sie haben jedoch das Potential, sich – je nach Typ von Stammzelle - zu einem, zu mehreren oder zu allen im erwachsenen Körper vorkommenden differenzierten Zelltypen zu entwickeln. Neben der Tatsache, dass Stammzellen noch undifferenziert sind, ist eine weitere charakteristische Eigenschaft der Stammzellen, dass sie sich über lange Zeiträume hinweg selbst erneuern können.

Typen von Stammzellen

Der Embryo eines Weißbüschelaffen. Bild: Edgar Vogt
Aus wenigen Tage alten Embryonen können embryonale Stammzellen gewonnen werden. Der Embryo ist in diesem Stadium etwa einen Zehntel Millimeter groß und besteht aus etwa 16 Zellen. Bild: Edgar Vogt

Es gibt verschiedene Typen von Stammzellen: pluripotente, multipotente und unipotente Stammzellen. Alle drei Typen unterscheiden sich in ihrer Fähigkeit, wie viele verschiedene Arten von Tochterzellen sie hervorbringen können.

Pluripotente Stammzellen zeichnen sich dadurch aus, dass sie alle differenzierten Zellen eines adulten Organismus bilden können. Zu den pluripotenten Stammzellen gehören embryonale Stammzellen und induzierte pluripotente Stammzellen.

Embryonale Stammzellen werden aus einem frühen Embryo gewonnen. Sie behalten auch in Zellkultur dauerhaft die Eigenschaft der natürlichen „Vorläuferzellen“ des Embryos, sich zu allen Typen von Zellen des adulten Körpers entwickeln zu können. Von dieser einzigartigen Fähigkeit der pluripotenten Stammzellen inspiriert entstand die Idee, pluripotente Stammzellen im Labor zu klinisch bedeutsamen Zelltypen wie Herzmuskelzellen der Nervenzellen gezielt zu differenzieren und für die Therapie von Patienten einzusetzen. Für die Forschung mit embryonalen Stammzellen müssen jedoch Embryonen verwendet werden. Daher ist die Forschung mit menschlichen embryonalen Stammzellen ethisch umstritten, und die Herstellung neuer embryonaler Stammzellen ist in Deutschland gesetzlich verboten.

Eine sehr spannende und für die zukünftige klinische Anwendung möglicherweise sehr viel versprechende Alternative zu den embryonalen Stammzellen sind induzierte pluripotente Stammzellen. Sie werden gewonnen, in dem ethisch unbedenkliche adulte Zellen, wie z.B. Bindegewebszellen der Haut, durch das Einbringen einiger Gene, die während der frühen Embryonalentwicklung sehr aktiv sind, „reprogrammiert“ werden. Die Aktivität dieser „embryonalen Gene“ dreht die entwicklungsbiologische Uhr in den differenzierten Zellen fast vollständig wieder zurück, so dass die reprogrammierten Zellen in einen Zustand zurückversetzt werden, der dem embryonaler Stammzellen verblüffend ähnlich ist. Daher stoßen induzierte pluripotente Stammzellen derzeit auf enormes Interesse in der biomedizinischen Forschung. Es besteht die Hoffnung, dass sie zukünftig einmal bei der Therapie z.B. von Morbus Parkinson oder anderen Erkrankungen, die mit dem Verlust eines bestimmten Zelltyps oder Gewebes einhergehen, erfolgreich eingesetzt werden können. Deshalb ist die Forschung mit pluripotenten Stammzellen von großer medizinischer Bedeutung.

Die Stammzellforschung am DPZ arbeitet in erster Linie mit Weißbüschelaffen. Foto: Anton Säckl
Die Stammzellforschung am DPZ arbeitet in erster Linie mit Weißbüschelaffen. Foto: Anton Säckl

Multipotente Stammzellen können noch mehrere unterschiedliche differenzierte Zelltypen hervorbringen, jedoch nicht mehr alle Zelltypen des erwachsenen Körpers, wie es bei den pluripotenten Stammzellen der Fall ist. Das bekannteste Beispiel für eine multipotente Stammzelle ist die Blutstammzelle. Sie kann alle Zelltypen des Blutes wie Erythrozyten, Lymphozyten und Blutplättchen hervorbringen, jedoch keine anderen Zelltypen wie Herzmuskel- oder Nervenzellen mehr bilden. Multipotente Stammzellen findet man im Erwachsenen z.B. auch im Darm und im Gehirn.

Unipotente Stammzellen haben ein extrem eingegrenztes Differenzierungsspektrum: sie können nur einen Typ Zellen hervorbringen. Ein Beispiel sind die spermatogonialen Stammzellen. Sie sind die Vorläufer der Samenzellen. Die spermatogonialen Stammzellen sorgen im Hoden für die kontinuierliche Produktion von sehr vielen Spermien – in einem gesunden Hoden deutlich mehr als 1000 pro Sekunde. Spermatogoniale Stammzellen und ihre embryonalen Vorläufer, die primordialen Keimzellen, weisen einige Merkmale auf, die sonst nur pluripotenten Stammzellen zugeschrieben werden. Daher sind sie für die Stammzellforschung besonders interessant.

Multi- und unipotente Stammzellen werden im Allgemeinen als adulte Stammzellen zusammengefasst. Das bedeutet, dass sie aus postnatalen Organismen gewonnen werden können. Adulte Stammzellen sind unter anderem für die natürliche Regeneration des Körpers verantwortlich. Sie produzieren neue Zellen, die sich dann zu spezifischen Zellen weiterentwickeln und zum Beispiel die Haut- oder innere Darmoberfläche erneuern. Adulte Stammzellen können ihre Funktion allerdings nur mit Hilfe der sogenannten Stammzellnischen aufrecht erhalten. In diesen Nischen werden unter anderem Wachstumsfaktoren freigesetzt. Verlassen die Zellen die Nischen, setzt die Differenzierung zu einem bestimmten Zelltyp hin ein.

Stammzellforschung am DPZ

Proteine wie OCT4 (im Bild grün gefärbt) spielen eine entscheidende Rolle in embryonalen Stammzellen. Bild: Katharina Debowski
Proteine wie OCT4 (im Bild grün gefärbt) spielen eine entscheidende Rolle in embryonalen Stammzellen. Bild: Katharina Debowski

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschafler der Forschungsplattform Degenerative Erkrankungen am Deutschen Primatenzentrum forschen mit embryonalen Stammzellen des Weißbüschelaffen, mit induzierten pluripotenten Stammzellen und mit Keimzellen.

Am DPZ wird bei der Reprogrammierung nur mit nicht-viralen Methoden wie dem PiggyBac Transposon System gearbeitet. Die Reprogrammierung mit Hilfe von Retroviren ist zwar sehr effektiv, weist aber auch einige Nachteile auf. Das PiggyBac Transposon System funktioniert ähnlich wie die „cut and paste“ Methode am Computer. PiggyBac ist ein mobiles Genelement, das Informationen zwischen Vektoren und Chromosomen austauscht. Wichtig ist, dass nach erfolgter Reprogammierung das PiggyBac-Konstrukt rückstandslos aus den induzierten pluripotenten Stammzellen entfernt werden kann. Die induzierten pluripotenten Stammzellen, die so am DPZ gewonnen werden, sollen zukünftig in präklinischen Studien für Zellersatztherapien verwendet werden.

Das „Projekt Keimzellen“ am DPZ untersucht in wie weit sich pluripotente Stammzellen und Keimzellen auf zellulärer und genetischer Ebene ähneln. Ein Faktor, auf den die Forschungen am DPZ sich konzentrieren, ist das Protein LIN28, das neueren Ergebnissen zufolge auch eine wichtige Rolle bei der embryonalen Zellteilung spielt. Da ein Großteil der bereits vorhandenen Erkenntnisse über die Teilung und Entwicklung von Keimzellen aus Studien mit Mäusen stammt, leisten die Wissenschaftler am DPZ hier für Primaten Grundlagenforschung.

Weiterführende Links zur Stammzellforschung

GSCN

Das Deutsche Stammzellnetzwerk wurde im März 2013 gegründet und soll in Zukunft eine zentrale, nationale Anlaufstelle für die Stammzellforschung sein.Das Projekt wird vom Max-Delbrück-Centrum koordiniert.

BMBF

Informationen des Bundesministeriums für Bildung und Forschung zum Thema Forschung mit Stammzellen für alternative Therapieoptionen.

zellux.net

Das Themenportal zellux.net bietet Informationen und Unterrichtsmaterial zum Thema Stammzellforschung an. Das Diskursprojekt wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert und durch das Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin koordiniert.

Forschungsplattform Degenerative Erkrankungen

Aktuelle, wissenschaftliche Publikationen des DPZ zur Stammzellforschung