Sachstand

Forschung mit humanen embryonalen Stammzellen

Stand: Juli 2010
Ansprechpartnerin:  Simone Hornbergs-Schwetzel

Autorennachweis

Der Blickpunkt wurde verfasst und digital realisiert im Auftrag des Kompetenznetzwerks Stammzellforschung NRW.

I. Naturwissenschaftlich-medizinischer Sachstand

Was sind Stammzellen?

Unter der Bezeichnung "Stammzellen" wird eine uneinheitliche Gruppe von Zellen zusammengefasst, die mindestens die folgenden zwei Eigenschaften gemeinsam haben:

• Stammzellen sind Vorläuferzellen von hoch differenzierten Zellen.
• Nach einer Teilung der Stammzellen können die Tochterzellen entweder wieder zu Stammzellen werden (self-renewal) oder sich gewebespezifisch, z.B. zu Herz-, Nerven-, Haut- oder Muskelzellen, differenzieren.
  

Stammzellen treten zuerst in der frühen Embryonalentwicklung auf. Bereits die befruchtete Eizelle (Zygote) stellt eine totipotente Stammzelle dar (Abbildung 1), die die frühen Embryonalstadien durchläuft und aus der sich später alle Gewebe des menschlichen Körpers bilden. Je weiter die Spezialisierung der Tochterzellen einer Stammzelle voranschreitet, desto stärker wird das Spektrum ihrer Differenzierungsmöglichkeiten in verschiedene Gewebe eingeschränkt.

In vielen Geweben des erwachsenen Menschen existieren zeitlebens Stammzellen, die wichtige Aufgaben bei der Geweberegeneration und -reparatur erfüllen. Sie erhalten die Funktionsfähigkeit von Geweben und Organen aufrecht, indem sie differenzierte Zellen nachliefern und beschädigte oder abgestorbene Zellen ersetzen.

Die Einteilung und Benennung der Stammzellen erfolgt uneinheitlich und führt somit leicht zu Missverständnissen. Stammzellen werden entweder nach ihrer Potentialität, gebräuchlicherweise aber nach der Art ihrer Gewinnung unterteilt und benannt. Im allgemeinen Sprachgebrauch hat sich die Unterscheidung zwischen adulten und embryonalen Stammzellen herausgebildet. Aus naturwissenschaftlicher Sicht genauer wäre es hier, einerseits von gewebespezifischen statt von adulten Stammzellen zu sprechen und andererseits von Stammzellen, die je nach Herkunft als

• EC-Zellen (embryonic carcinoma cells) aus embryonalen Tumorzellen,
• EG-Zellen (embryonic germ cells) aus den fötalen Vorläuferzellen der Geschlechtszellen,
• ES-Zellen (embryonic stem cells) aus frühen Embryonalstadien (Blastozysten) bezeichnet werden.

Die Gewinnung von ES-Zellen aus Blastozysten, bei der der frühe Embryo zerstört wird, ist ethisch besonders umstritten.

Für ES-Zellen konnten die folgenden Eigenschaften nachgewiesen werden:

• ES Zellen sind in Zellkultur unbegrenzt teilungsfähig.
• Ihre Chromosomenzahl bleibt stabil.
• Sie besitzen die Fähigkeit, unter geeigneten Bedingungen alle Gewebe des Körpers zu bilden (Pluripotenz).

Wie werden humane embryonale Stammzellen aus Blastozysten gewonnen?

Zur Gewinnung von embryonalen Stammzellen macht man sich vor allem die Technik der In-vitro-Fertilisation (IVF) zunutze, die in der Reproduktionsmedizin etabliert wurde, um bei ungewollter Kinderlosigkeit eine Schwangerschaft herbeizuführen. Bei der Unfruchtbarkeitsbehandlung werden im Reagenzglas erzeugte Embryonen mit einem Katheter in der Gebärmutter der Frau platziert, wo sie sich zu einem Kind entwickeln können (Abbildung 2). Die frühen, in vitro erzeugten Embryonen können aber auch zur Herstellung von embryonalen Stammzelllinien dienen.

Fünf bis sechs Tage nach der Befruchtung ist die befruchtete Eizelle (Zygote) zu einer Blastozyste herangereift. Diese besteht aus einer umhüllenden Zellschicht - dem so genannten Trophoblasten, aus dem der kindseitige Teil des Mutterkuchens hervorgeht - und aus der inneren Zellmasse, aus der sich der Fötus entwickelt.

Zur Gewinnung der Stammzellen (Abbildung 3) wird der Trophoblast entweder durch die Anwendung von Antikörpern oder durch Laserstrahlen zerstört, was eine Fortentwicklung des Embryos unmöglich macht. Die nun zugängliche innere Zellmasse wird in einer Zellkulturschale in einem speziellen Nährmedium aufgenommen und kultiviert. Die Zellen können unter den Zellkulturbedingungen weiter wachsen ohne sich zu differenzieren. Aus ihnen gehen die ES-Zellen hervor.

Es wurde bislang noch kein Verfahren entwickelt, das erlaubt, ES-Zellen zu gewinnen und gleichzeitig die Integrität und Entwicklungsfähigkeit des Embryos zu erhalten.

Zudem wird im Ausland intensiv daran geforscht, humane embryonale Stammzellen aus zuvor geklonten Embryonen zu isolieren. Die Technik ist bislang jedoch noch nicht gelungen.

Die künstliche Erzeugung von Blastozysten, die für die Gewinnung von ES-Zellen eingesetzt werden, ist auf verschiedene Art vorstellbar. Dementsprechend kann man ES-Zellen einteilen in:

• ES-Zellen aus durch In-vitro-Fertilisation (IVF) erzeugten Blastozysten (Abbildung 4).
• ES-Zellen aus durch Zellkerntransfer (SCNT) erzeugten Blastozysten (sog. Forschungs- oder therapeutisches Klonen) (Abbildung 5).

Bislang ist von diesen beiden Methoden nur die IVF beim Menschen eingesetzt worden, um humane embryonale Stammzelllinien zu gewinnen. Diese unterscheiden sich von Stammzellen aus Klonembryonen wahrscheinlich vor allem im Hinblick auf ihre Immunverträglichkeit. Bei einer Transplantation mit Gewebe aus IVF-ES-Zellen erwartet man starke Abstoßungsreaktionen, wie sie bei der Transplantation von fremdem Gewebe auftreten. Bei einer Transplantation mit Gewebe aus SCNT-ES-Zellen, dem so genannten therapeutischen Klonen, erwartet man hingegen keine oder nur geringe Abwehrreaktionen, insofern Zellkernspender und Gewebeempfänger genetisch identisch wären.

Die Technik des Zellkerntransfers könnte prinzipiell auch für das reproduktive Klonen genutzt werden. Bei einigen Säugetierarten wurden auf diese Weise Embryonen aus Zellkerntransfer in den Uterus eingespült. Der erste erfolgreiche Versuch bei Säugetieren war die Erzeugung von Klonschaf Dolly. Diese Methode ist allerdings mit hohen Missbildungs- und Sterblichkeitsraten verbunden.

Was sind die Ziele der Forschung mit humanen embryonalen Stammzellen?

Humane embryonale Stammzellen sind sowohl für die Grundlagenforschung als auch für die klinische Forschung von großem Interesse. Es wird angenommen, dass sie aufgrund ihrer Fähigkeit zur unbegrenzten Vermehrbarkeit eine unerschöpfliche Quelle zur Gewinnung von Zell- und Gewebeersatz darstellen. Aufgrund ihrer Differenzierungseigenschaften sind sie als Forschungsobjekt geeignet, um eine Vielzahl von Entwicklungsprozessen im Detail zu untersuchen.

In der Grundlagenforschung stehen die Aufklärung von molekularen Mechanismen der Spezialisierung einzelner Zellen sowie die Untersuchung der Organisation von Zellen im Gewebeverband und in Organen im Vordergrund. Darüber hinaus möchte man ein verbessertes Verständnis der Entwicklung und Regulation früher Stammzellstadien erreichen und die Mechanismen, die der Fähigkeit zu Vermehrung und Differenzierung zugrunde liegen, erforschen.

Im Rahmen der klinischen Forschung erhofft man sich von embryonalen Stammzellen die Möglichkeit zur Schaffung von Gewebeersatz, besonders im Hinblick auf solche Gewebe, die nur ein geringes oder gar kein Regenerationsvermögen aufweisen, wie z.B. Nervengewebe. Diskutiert werden die Anwendung von ES-Zellen zur Behandlung von verschiedenen Krankheiten wie Morbus Parkinson, Diabetes Typ 1 sowie Krankheiten des Herz-Kreislaufsystems. Es erscheint ebenfalls denkbar, dass ES-Zellen genetisch manipuliert werden und so im Rahmen einer Gentherapie etwa zur Wiederherstellung eines zerstörten Immunsystems eingesetzt werden könnten, wie zum Beispiel im Falle einer HIV-Erkrankung.

Was ist der derzeitige Stand der Forschung?

Seit der Gewinnung der ersten humanen ES-Zelllinien im Jahr 1998 ist die Forschung in diesem Bereich eher langsam vorangekommen. Dennoch liegen erste Ergebnisse zur In-vitro-Differenzierung von humanen embryonalen Stammzellen vor. Es ist bis jetzt gelungen, Vorläuferzellen von Nervenzellen, Herzmuskel- und Blutgefäßzellen, Blutzellen, Bauchspeicheldrüsenzellen, Leberzellen und Trophoblastenzellen aus humanen embryonalen Stammzellen zu generieren. Die Zuordnung der Vorläuferzellen zu einer dieser Gewebegruppen erfolgte dabei meist nicht durch den Nachweis ihrer Funktionalität, sondern aufgrund der von den Zellen gebildeten Oberflächenmoleküle. In einigen Fällen wurden die aus humanen ES-Zellen gewonnenen Vorläuferzellen in Modellorganismen, z.B. Mäuse und Hühner, transplantiert. Es gibt bislang jedoch wenig Hinweise auf eine funktionale Beteiligung der Zellen an einem Gewebeverband. Im Juli 2006 wurde die Gewinnung von Spermien aus murinen embryonalen Stammzellen beschrieben.

Im Jahre 2008 veröffentlichten zudem zwei Forschergruppen unabhängig voneinander Verfahren, mit denen erfolgreich menschliche somatische Zellen so reprogrammiert wurden, dass sie signifikante Eigenschaften von embryonalen Stammzellen aufwiesen. Derartige Zellen werden induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen) genannt. Im Oktober 2009 hat die Berlin-Brandenburgische Akademie der Wissenschaften zusammen mit der Nationalen Akademie der Wissenschaften (Leopoldina) eine Stellungnahme zu dieser neuen Technik der Stammzellgewinnung veröffentlicht.

Alle bisher unternommenen Experimente muss man dem Bereich der Grundlagenforschung zurechnen. Sie lassen weder von ihrer Anlage noch von ihren Ergebnissen eine Aussicht auf eine konkrete, klinische Anwendbarkeit von humanen ES-Zellen zu. Andererseits lassen die durchgeführten Experimente es auch nicht zu, eine mögliche klinische Anwendung von humanen ES-Zellen auszuschließen.

Die Gewinnung embryonaler Stammzellen nach Zellkerntransfer (sog. Klonen zu Forschungszwecken bzw. therapeutisches Klonen) beim Menschen erweist sich, abgesehen von den ethischen und rechtlichen Problemen, als technisch sehr schwierig und ist bislang noch nicht gelungen. 2004 hatte die Forschergruppe um den koreanischen Tierarzt Hwang die erfolgreiche Klonierung von menschlichen Zellen publiziert. Dies stellte sich jedoch als Betrug heraus.

In neueren Forschungsansätzen wird versucht, humane embryonale Stammzellen ohne Klonierungstechniken zu gewinnen. Durch Parthenogenese (Jungfernzeugung) soll dazu eine menschliche Eizelle derart aktiviert werden, dass sie sich auch ohne Zugabe eines Spermiums beginnt, zu teilen. Aus den sich so entwickelnden Embryonen könnten dann Stammzellen gewonnen werden, die sich wiederum in viele verschiedene Zellarten differenzieren können. Erfolgreich wurde dieses Verfahren bislang nur bei Mäusen durchgeführt.

Zudem wird in anderen Forschungsansätzen versucht, mögliche ethische Bedenken bezüglich des Embryonenverbrauchs bei der Stammzellgewinnung zu umgehen. Dazu sollen Stammzellen kultiviert werden, die zuvor aus Fruchtwasser isoliert wurden. So wurde beschrieben, dass aus derartigen Zellen bereits menschliche Fett-, Muskel-, Knochen-, Nerven- und Leberzellen gezüchtet worden sind.

Was sind die offenen Fragen und Probleme?

Sowohl für embryonale Stammzellen als auch für adulte Stammzellen sind im Hinblick auf eine mögliche klinische Anwendung die folgenden Kriterien zu berücksichtigen:

• Vermehrbarkeit: Die Stammzellen müssen in Kultur in ausreichender Menge vermehrbar sein.
• Differenzierbarkeit: Sie müssen sich zur Ausdifferenzierung in den jeweils benötigten Zelltyp anregen lassen.
• Reinheit: Es müssen ausdifferenzierte Zellen eines einzigen Zelltyps gewonnen werden können, keine Zellgemische.
• Zielgenaue Integrierbarkeit: Der Zell- oder Gewebeersatz muss sich im Körper an die richtige Stelle transplantieren lassen.
• Sicherheit vor Tumorbildung: Es muss gewährleistet werden, dass die Transplantate nicht unkontrolliert weiter wachsen oder Tumore bilden können.
• Dauerhafte therapeutische Effektivität: Die Transplantate müssen im Organismus ihre Funktionalität unter Beweis stellen und eine therapeutische Wirkung auch über einen längeren Zeitraum entfalten.
• Immunverträglichkeit: Die Zelltransplantate sollten vom Immunsystem des Empfängerorganismus nicht abgestoßen werden.

Die Forschung an humanen embryonalen Stammzellen steht noch am Anfang, die Beantwortung der folgenden Fragen aus der Grundlagenforschung stellt eine Voraussetzung für ihre Anwendbarkeit in der regenerativen Medizin dar:

• Wie können ES-Zellen effizient gewonnen werden?
• Sind alle ES-Stammzelllinien gleich?
• Wie können ES-Zellen genetisch verändert werden?
• Wie wird die Differenzierung der Tochterzellen von Stammzellen reguliert?
• Welche neuen Methoden und Werkzeuge werden benötigt, um diese Differenzierung in vivo und in vitro zu messen und zu steuern?

Gibt es Alternativen zur Forschung mit humanen embryonalen Stammzellen?

Als Alternativen für die Forschung an humanen embryonalen Stammzellen werden vor allem die gewebespezifischen, adulten Stammzellen angesehen, zu denen man auch Stammzellen aus Nabelschnurblut zählt.

Die Grundlagenforschung untersucht, wie sich humane embryonale Stammzellen kultivieren, differenzieren und manipulieren lassen. Diese spezifischen Eigenschaften können nur an den ES-Zelllinien selber untersucht werden; adulte Stammzellen stellen für diesen Bereich deshalb keine Alternative dar.

Auf dem Gebiet des Gewebeersatzes aus adulten Stammzellen sind bis heute einige therapeutische Verfahren hervorgegangen, die in der Klinik zum Teil schon seit langem eingesetzt werden, so z.B. die Knochenmarktransplantation nach einer Strahlentherapie (blutbildende Stammzellen) oder die Regeneration von Haut nach Verbrennungen (hautbildende Stammzellen). Hieraus kann aber nicht auf eine besondere Eignung von adulten Stammzellen für die Verwirklichung der oben genannten Ziele der klinischen Forschung geschlossen werden. Für eine Beurteilung der Eignung sind die genannten Kriterien, Vermehrbarkeit, Reinheit, Differenzierbarkeit etc., maßgeblich.

Aus heutiger Sicht lässt sich vermuten, dass adulte Stammzellen in Bezug auf Reinheit, Sicherheit vor Tumorbildung und Immunverträglichkeit für die klinische Anwendung besser geeignet sind als ES-Zellen. Demgegenüber lässt sich in Bezug auf Vermehrbarkeit und Differenzierbarkeit ein Vorteil für ES-Zellen erkennen, wobei die Immunverträglichkeit von ES-Zellen aus SCNT-Blastozysten wahrscheinlich denen der adulten Stammzellen entsprechen dürfte. Zum jetzigen Zeitpunkt kann man aus naturwissenschaftlicher Sicht keine begründete Abschätzung liefern, die einer der beiden Forschungsrichtungen in Bezug auf ihre klinischen Anwendungsmöglichkeiten den Vorrang vor der anderen einräumen könnte.

Auch an Mäuse-Stammzellen lassen sich die Kultivierbarkeit sowie die Mechanismen der Differenzierung von Stammzellen erforschen. Die Forschung an diesen Zellen ist zudem nicht reglementiert und Vorexperimente mit ihnen dienen häufig der Planung und Rechtfertigung anschließender Folgeexperimente mit humanen Stammzellen. Ein Problem besteht jedoch in der Übertragbarkeit der Ergebnisse auf den Menschen, da die Differenzierungsmechanismen embryonaler Mäuse-Stammzellen zum Teil durch andere Wachstumsfaktoren gesteuert werden als bei humanen embryonalen Stammzellen.
Eine Lösung dieser Problematik schien sich 2007 abzuzeichnen, als die Forscher Ludovic Vallier und Gabrielle Brons Zellen aus weiterentwickelten Mäuse-Föten isolierten, die auf die getesteten Wachstumsfaktoren genauso reagierten wie humane embryonale Stammzellen.
Allerdings zeigen neue Forschungsergebnisse von 2010, dass sich auch diese sogenannten Epiblast-Stammzellen der Mäuse nicht mit humanen embryonalen Stammzellen gleichsetzen lassen.
Die Forscher um Hans Schöler fanden heraus, dass diese Zellen zwar ähnlich auf bestimmte Wachstumsfaktoren, wie Activin reagieren, jedoch andere Mechanismen dahinter stecken, wodurch die Forschung an diesen Epiblast-Stammzellen der Mäuse irreführend sei.

Im Frühsommer 2010 brach eine Kontroverse zwischen Stammzellforschern aus, die ein Forschungsergebnis des Tübinger Anatomieprofessors Skutella aus dem Jahre 2008 zum Gegenstand hat. Renommierte Stammzellforscher wie der Münsteraner Hans Schöler zweifeln die Ergebnisse der Studie Skutellas an und kritisieren dessen wissenschaftliches Vorgehen. Skutella und sein Forschungsteam kündigten an, in Bälde die umstrittenen Stammzellen noch einmal heranzuzüchten und die Ergebnisse erneut zu publizieren. 

Weiter: II. Gesetze und Regelungen