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Naturwissenschaftlich-medizinischer Sachstand

Forschung mit humanen embryonalen Stammzellen

Stand: Dezember 2016 
Ansprechpartnerin: Aurélie Halsband

Autorennachweis

Der Blickpunkt wurde verfasst und digital realisiert im Auftrag des Kompetenznetzwerks Stammzellforschung NRW (siehe Web-Adresse http://www.stammzellen.nrw.de/de.html).


I. Naturwissenschaftlich-medizinischer Sachstand


Was sind Stammzellen?

 

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

  • Stammzellen sind Vorläuferzellen hoch differenzierter Zellen.
  • Nach einer Teilung der Stammzellen (siehe Modul Teilung von Stammzellen) können die Tochterzellen wieder zu Stammzellen werden (self-renewal) oder sich spezialisieren.
  • Aufgrund der Fähigkeit zur Selbsterneuerung können Stammzellen sich prinzipiell unbegrenzt vermehren.
  • Stammzellen können 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 (siehe Modul Totipotenz, Pluripotenz) Stammzelle dar (Abbildung 1) (siehe Modul Frühe Embryonalentwicklung), 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 ihre Differenzierungsmöglichkeit 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. Im allgemeinen Sprachgebrauch hat sich für diese Zellen der Begriff der adulten Stammzelle durchgesetzt.

Die Einteilung und Benennung der Stammzellen erfolgt uneinheitlich und führt somit leicht zu Missverständnissen. Stammzellen können entweder nach ihrer Potentialität (siehe Modul Totipotenz, Pluripotenz) oder nach der Art ihrer Gewinnung (siehe Modul Gewinnung menschlicher embryonaler Stammzellen) unterteilt werden. Letztere sind nach aktuellem Forschungsstand

  • 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),
  • iPS-Zellen (induced pluripotent stem cells) aus einem Reprogrammierungsverfahren (siehe Modul Reprogrammierung von Zellen).

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


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) (siehe Modul 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) (siehe Modul Embryonentransfer nach IVF). Frühe, in vitro erzeugte Embryonen können aber auch zur Herstellung von embryonalen Stammzelllinien dienen.

Fünf bis sechs Tage nach der Befruchtung ist die befruchtete Eizelle (Zygote) (siehe Modul Frühe Embryonalentwicklung) 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) (siehe Modul Gewinnung menschlicher embryonaler Stammzellen) 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 ES-Zellen können unter den Zellkulturbedingungen weiter wachsen ohne sich zu differenzieren.

Daneben existieren auch Verfahren, die erlauben, ES-Zellen zu gewinnen ohne dabei die Integrität und Entwicklungsfähigkeit eines Embryos zu beeinflussen. Diese haben jedoch aufgrund ihrer geringeren Effizienz bzw. verbleibender Vorbehalte der Gesetzgeber bislang keine große Verbreitung erfahren.

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) (siehe Modul In-vitro-Fertilisation (IVF)) erzeugten Blastozysten (Abbildung 4) (siehe Modul Entwicklung zur Blastozyste nach IVF).
  • ES-Zellen aus durch Zellkerntransfer (SCNT) (siehe Modul Zellkerntransfer Somatic Cell Nuclear Transfer (SNCT)) erzeugten Blastozysten (sog. Forschungs- oder therapeutisches Klonen (siehe Blickpunkt „Forschungsklonen”) (Abbildung 5) (siehe Modul Zellkerntransfer (Somatic Cell Nuclear Transfer (SNCT)).
  • ES-Zellen aus durch durch Parthenogenese („Jungfernzeugung”) (siehe Modul Parthenogenese) erzeugten Blastozysten.

Bislang wurden humane embryonale Stammzelllinien vor allem aus Embryonen gewonnen, die aus dem Versuch einer künstlichen Befruchtung durch IVF übriggeblieben sind. Außerdem ist es gelungen embryonale Stammzelllinien aus Embryonen zu isolieren, die auf dem Weg der Parthenogenese erzeugt wurden. Stammzellen aus Klon- oder Partheno-Embryonen und Stammzellen aus IVF-Embryonen unterscheiden sich 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 (siehe Blickpunkt „Forschungsklonen”), oder mit Geweben aus Stammzellen aus Parthenogenese, erwartet man hingegen keine oder nur geringe Abwehrreaktionen, insofern Zellkernspender und Gewebeempfänger genetisch identisch wären.

Prinzipiell könnte die Technik des Zellkerntransfers auch für das reproduktive Klonen genutzt werden. Bei einigen Säugetierarten wurden auf diese Weise Embryonen aus Zellkerntransfer in den Uterus eingesetzt. 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 und was wurde bereits erreicht?

Humane embryonale Stammzellen sind sowohl für die Grundlagenforschung als auch für die klinische Forschung von großem Interesse. 

Grundlagenforschung

Grundlagenforschung dient der Suche nach grundlegenden Zusammenhängen und ist nicht unbedingt mit einer konkreten Zielsetzung hinsichtlich ihrer Anwendung verbunden. In der Grundlagenforschung an ES-Zellen stehen die Aufklärung von molekularen Mechanismen bei der Spezialisierung einzelner Zellen im Vordergrund, sowie die Untersuchung der Organisation von Zellen im Gewebeverband und in Organen. Darüber hinaus will man ein verbessertes Verständnis der Entwicklung und Regulation früher Stammzellstadien erreichen und die Mechanismen, die der Fähigkeit zur Vermehrung und Differenzierung zugrunde liegen, erforschen. Einige Forschungserfolge haben darüber hinaus in den vergangenen Jahren besondere Beachtung erfahren:

Induzierte pluripotente Stammzellen

Im Jahr 2007 veröffentlichten zwei Forschergruppen unabhängig voneinander Verfahren, mit denen erfolgreich menschliche somatische Zellen so reprogrammiert (siehe Modul Reprogrammierung von Zellen) wurden, dass sie signifikante Eigenschaften von embryonalen Stammzellen aufwiesen. Derartige Zellen werden induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen) genannt. Der Vorteil von Verfahren mit iPS-Zellen ist, dass sie in ethischer und rechtlicher Hinsicht weniger problematisch sind als direkt aus Embryonen gewonnene Zelllinien. Wissenschaftlich ist das Verfahren allerdings mit Risiken verbunden, an deren Beseitigung im Hinblick auf den Einsatz bei therapeutischen Verfahren aktuell viel geforscht (siehe Modul iPS-Forschung) wird. Bei den bisherigen Verfahren war es zur Reprogrammierung notwendig, dass vier bestimmte Gene (Oct4, Sox2, c-Myc und Klf4) in die jeweilige Zelle eingeschleust werden. Viren dienten hierbei als Vehikel (siehe Modul Vektoren) zum Einschleusen der Gene; eine Methode welche unter anderem ein erhöhtes Krebsrisiko mit sich bringen kann. Eine sichere Therapie mit Gewebezellen, die aus den reprogrammierten Zellen gewonnen werden, ist daher zum jetzigen Zeitpunkt nicht möglich, auch wenn es bereits erste klinische Anwendungen gab (mehr dazu weiter unten im Abschnitt „Klinische Forschung“).

Im Oktober 2009 hat die Berlin-Brandenburgische Akademie der Wissenschaften zusammen mit der Nationalen Akademie der Wissenschaften (Leopoldina) eine Stellungnahme (siehe Modul Stellungnahme der Berlin-Brandenburgischen Akademie der Wissenschaften und der Nationalen Akademie der Wissenschaften (Leopoldina)) zu dieser neuen Technik der Stammzellgewinnung veröffentlicht.

Stammzellen-Klonen zu Forschungszwecken

Die Gewinnung embryonaler Stammzellen nach Zellkerntransfer (sog. Klonen zu Forschungszwecken bzw. therapeutisches Klonen) beim Menschen erwies sich, abgesehen von den damit verbundenen ethischen und rechtlichen Problemen, lange Zeit als technisch nicht durchführbar.

Im Mai 2013 gelang amerikanischen Wissenschaftlern von der Oregon Health and Science University in Portland erstmals die Gewinnung menschlicher embryonaler Stammzellen aus geklonten Embryonen (siehe Modul Gewinnung menschlicher embryonaler Stammzellen aus geklonten Embryonen) (SCNT-ES-Zellen). Die Wissenschaftler um Masahito Tachibana und Shoukhrat Mitalipov hatten zunächst den Zellkern von adulten menschlichen Hautzellen in entkernte Spender-Eizellen transferiert, wie es im Jahre 2008 bereits von einer amerikanischen Forschungsgruppe um Andrew French (siehe Modul Klonen menschlicher Embryonen) beschrieben worden war. Für die Studie der Wissenschaftler um Tachibana und Mitalipov wurden nur wenige Eizellen benötigt, da es den Forschern mittels einer systematisch verbesserten Methode gelang, ein frühes Absterben der Embryonen zu verhindern. Nach einigen Zellteilungen wurden die Embryonen zerstört, um aus ihnen embryonale Stammzellen zu gewinnen, was in anderen Studien bis dahin entweder nicht gelungen oder gar nicht erst versucht worden war.

Im April 2014 publizierten Robert Lanza (siehe Modul Klonverfahren mit differenzierten Zellen Erwachsener) von der Biotechfirma ACT und Dong Ryul Lee vom Stem Cell Institute in Seoul die erfolgreiche Etablierung von Stammzelllinien, die sie durch ein Klonverfahren aus den Hautzellen zweier bereits 35 beziehungsweise 75 Jahre alter Männern gewonnen haben. Somit konnte im Vergleich zum Vorjahr gezeigt werden, dass die Gewinnung von Stammzellen auch mit Zellmaterial möglich ist, das genetisch und biochemisch schon zahlreiche Veränderungen sowie mutmaßlich Schäden an der DNA aufweist.

Ziel des therapeutischen Klonens ist es, aus den Körperzellen von Patienten genetisch identisches Ersatzgewebe herzustellen, das nicht durch Immunreaktionen abgestoßen wird. Die auf diese Weise gewonnenen Stammzellen ähneln denen, die aus befruchteten Embryonen gewonnen werden, und lassen sich unter anderem zu funktionsfähigen Nervenzellen, Herzmuskelzellen und Leberzellen ausdifferenzieren. Im November 2014 publizierten jedoch Forscher des Hamburger Universitätsklinikums Eppendorf eine Studie am Mausmodell (siehe Modul SCNT-Derived ESCs with Mismatched Mitochondria Trigger an Immune Response in Allogeneic Hosts) in der Fachzeitschrift Cell Stem Cell, bei der es nach der Transplantation von SCNT-ES-Zellen zu Abstoßungsreaktionen gekommen war. Grund hierfür sind mitochondriale Unterschiede zwischen den transplantierten Zellen und denen des Empfängers. Da Mäuse eine vergleichsweise geringe Variabilität an Mitochondrien aufweisen, sind möglicherweise auch bei Menschen Immunreaktionen zu erwarten. Nach Meinung der Forscher ist der SCNT jedoch nach wie vor ein vielversprechender Weg zu neuen Therapien, wenn das Abstoßungsproblem gelöst ist.

Mit dem Verfahren des SCNT befasste Wissenschaftler betonen, dass ihre Forschung lediglich auf das therapeutische Klonen, nicht auf das reproduktive Klonen abziele. Ob dieses Verfahren zur Gewinnung embryonaler Stammzellen in der medizinischen Praxis jemals Anwendung finden wird, ist jedoch nicht zuletzt aufgrund der ethischen Bedenken, welche das Herstellen und Zerstören von Embryonen, die gesundheitliche Belastung der Eizell-Spenderinnen sowie die mögliche Ausweitung auf das reproduktive Klonen betreffen, umstritten.

Erforschung ethisch unbedenklicher Verfahren der Gewinnung von Stammzellen

Als ethisch unbedenkliche Alternativen für die Forschung an humanen embryonalen Stammzellen werden neben den gewebsspezifischen, adulten Stammzellen, zu denen man auch Stammzellen aus Nabelschnurblut zählt, auch durch Rückprogrammierung entstandene iPS-Zellen angesehen.

Die Grundlagenforschung untersucht, wie sich humane embryonale Stammzellen kultivieren, differenzieren und manipulieren lassen. Da einige Hinweise dahingehend bestehen, dass iPS-Zellen sich hinsichtlich Veränderungen im Genom von ES-Zellen unterscheiden (siehe Modul Vergleichbarkeit von iPS-Zellen und ES-Zellen), können diese spezifischen Eigenschaften nur an den ES-Zelllinien selber untersucht werden; iPS- oder auch adulte Stammzellen stellen für diesen Bereich somit bisher keine Alternative dar. In Bezug auf Vermehrbarkeit und Differenzierbarkeit lässt der gegenwärtige Stand der Forschung einen deutlichen Vorteil für ES-Zellen erkennen. Für die medizinische Forschung gelten ES-Zellen nach wie vor als Goldstandard, d.h. alle Alternativen werden an diesen gemessen.

Induzierte pluripotente Stammzellen bieten in ethischer Hinsicht den Vorteil, dass es zu deren Gewinnung nicht nötig ist einen Embryo zu zerstören, sondern lediglich adulte Zellen umprogrammiert werden. Mit dem als tetraploide Embryokomplementierung (siehe Modul Tetraploide Embryokomplementierung) bekannt gewordenen Verfahren ist es jedoch theoretisch möglich, aus iPS-Zellen auch vollständig lebensfähige Organismen zu generieren, was dann einem reproduktiven Klonen (siehe Modul Stellungnahme des Ethikrates zum Forschungsklonen) entspräche. In den Augen einiger Kritiker macht dieser Umstand iPS-Zellen hinsichtlich einer ethischen Bewertung derer Verwendung mit ES-Zellen vergleichbar und ruft somit zu einer Neubewertung der Schutzwürde früher Embryonen auf (siehe dazu auch III. Kernfragen der ethischen Diskussion).

Ein in dieser Hinsicht ethisch unbedenkliches Verfahren zur Herstellung von Gewebsersatz ist die Transdifferenzierung (siehe Modul Transdifferenzierung). Mit der Technik der Transdifferenzierung wird versucht aus differenzierten, adulten Zellen (z.B. Hautzellen) ohne den Umweg über die Stammzelle andere, spezialisierte Zelltypen zu gewinnen (z.B. Nervenzellen). Hierbei werden, ähnlich zum iPS-Verfahren, Transkriptions- und Wachstumsfaktoren eingesetzt, um die Zellen umzuprogrammieren. Auch ist es möglich Vorläuferzellen bestimmter Gewebe herzustellen. Bei der Transdifferenzierung wird kein embryonales Gewebe benötigt. Transdifferenzierte Zellen scheinen vor allem für eine Anwendung in der regenerativen Medizin geeignet, da mit Hilfe dieser patienteneigenen Zellen Immun- und Abstoßungsreaktionen vermieden werden können. Die zu deren Herstellung notwendigen genetischen Modifikationen bergen jedoch das Risiko maligner Entartung. Aktuell wird die Technik zum Umprogrammieren von Zellen hauptsächlich zur Erforschung genetisch bedingter Erkrankungen (siehe Modul Krankheitsmodelle) genutzt.

Eine weitere gelegentlich diskutierte Alternative zur Forschung an humanen embryonalen Stammzellen ist die ausschließliche Forschung am Tiermodell. Auch an Mäuse-Stammzellen, so ein geläufiges Argument, 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. Abgesehen davon, dass die Forschung an Tieren ethisch gesehen auch kontrovers ist (siehe dazu Blickpunkt „Forschung an Tieren”), besteht auch ein weiteres Problem in der Übertragbarkeit der Ergebnisse auf den Menschen. Die Differenzierungsmechanismen embryonaler Mäuse-Stammzellen werden zum Teil durch andere Wachstumsfaktoren gesteuert, 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 Forschungsergebnisse von 2010, dass sich auch diese sogenannten Epiblast-Stammzellen  (siehe Modul 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.

In weiteren Forschungsansätzen wird versucht, mögliche ethische Bedenken bezüglich des Embryonenverbrauchs bei der Stammzellgewinnung zu umgehen. Zum Beispiel wird versucht, Stammzellen zu kultivieren, die zuvor aus Fruchtwasser (siehe Modul Stammzellen aus Fruchtwasser) isoliert wurden. So wurde beschrieben, dass aus derartigen Zellen bereits menschliche Fett-, Muskel-, Knochen-, Nerven- und Leberzellen gezüchtet worden sind.

Translationale Forschung

Die translationale Forschung umfasst die Schnittstelle zwischen Grundlagenforschung und deren Anwendung auf konkrete Ziele. Für einen noch jungen Forschungsbereich wie die Stammzellforschung kommt diesen Zusammenhängen große Bedeutung zu. Aufgrund ihrer Differenzierungseigenschaften sind ES-Zellen als Forschungsobjekt besonders geeignet, um eine Vielzahl von Entwicklungsprozessen im Detail zu untersuchen. Diese können z. B. eingesetzt werden, um die Entstehung bestimmter Krankheiten auf der molekularen Ebene (siehe Modul Krankheitsmodelle) zu erforschen. Ebenso erhoffen sich Forscher Erkenntnisse für die Entwicklung individuell maßgeschneiderter Therapien. Für die Entwicklung neuer oder bereits bestehender medikamentöser Therapien (siehe Modul Medikamententestung) sind stammzellbasierte Modelle interessant, mit welchen sich spezifischere Aussagen über Wirksamkeit und Sicherheit treffen lassen können als im Tierversuch. Man erhofft sich zudem von ES-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.

Es wird angenommen, dass ES-Zellen aufgrund ihrer Fähigkeit zur unbegrenzten Vermehrbarkeit eine schier unerschöpfliche Quelle zur Gewinnung von Zell- und Gewebeersatz darstellen. Ziel ist die Anwendung von ES-Zellen zur Behandlung von verschiedenen Krankheiten, z.B. neurodegenerativer Erkrankungen wie Morbus Parkinson und Multiple Sklerose, Diabetes mellitus Typ 1 sowie Krankheiten des Herz-Kreislaufsystems. Angesichts der hohen Prävalenz an Herzerkrankungen in den Industriestaaten wird zudem die Entwicklung einer stammzellbasierten, regenerativen Therapie intensiv erforscht. Diskutiert wird auch, ES-Zellen genetisch zu manipulieren und so im Rahmen einer Gentherapie etwa zur Wiederherstellung eines zerstörten Immunsystems zum Einsatz zu bringen.

Auf dem Gebiet des Gewebeersatzes aus adulten Stammzellen sind bis heute einige therapeutische Verfahren hervorgegangen, die in der Klinik zum Teil bereits 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 weiter unten genannten Ziele der klinischen Forschung geschlossen werden. Für eine Beurteilung der Eignung sind die Kriterien Vermehrbarkeit, Reinheit, Differenzierbarkeit etc. maßgeblich (vgl. die Erläuterung im letzten Absatz dieses Abschnitts). Aus heutiger Sicht lässt sich vermuten, dass adulte Stammzellen in Bezug auf Reinheit, Sicherheit vor Tumorbildung und (bei autologer Verwendung) Immunverträglichkeit für die klinische Anwendung besser geeignet sind als ES-Zellen. Dabei ist allerdings zu bedenken, dass auch die Verwendung adulter Stammzellen in der therapeutischen Praxis nicht frei von Risiken ist, die es noch weiter zu verstehen und, wenn möglich, einzudämmen gilt.

Ob die Immunverträglichkeit von ES-Zellen aus SCNT-Blastozysten bei autologer Verwendung denen der adulten Stammzellen entspricht, müssen angesichts der jüngsten Ergebnisse weitere Studien zeigen. Bei den meisten Stammzelltransplantationen handelt es sich jedoch nach wie vor um allogene Anwendungen. 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.

Seit der Gewinnung der ersten humanen ES-Zelllinien im Jahr 1998 sind im Bereich der Forschung mit embryonalen Stammzellen vielfältige Fortschritte zu verzeichnen. Im Rahmen von In-vitro-Differenzierungen von humanen embryonalen Stammzellen ist bis jetzt gelungen, Vorläuferzellen von verschiedenen Nervenzellen (siehe Modul Nervenzellen)Herzmuskel- und Blutgefäßzellen (siehe Modul Herzmuskel- und Blutgefäßzellen)Blutzellen (siehe Modul Blutzellen)Bauchspeicheldrüsenzellen, Leberzellen und Trophoblastenzellen (siehe Modul Leber-, Bauchspeicheldrüsen- und Trophoblastenzellen) aus humanen embryonalen Stammzellen zu generieren. Im Juli 2006 wurde die Gewinnung von Spermien aus murinen embryonalen Stammzellen (siehe Modul Spermien aus murinen Stammzellen) beschrieben. 2009 publizierte der Biotechnologe Kang Zou von der Universität Shanghai in Nature Cell Biology eine Studie, die zeigte, dass die Injektion von markierten (Maus-)Eistammzellen (siehe Modul Murine Eistammzellen aus Stammzellen von adulten Mäusen) aus erwachsenen Mäusen in die Eierstöcke steriler Mäuse diesen zu Nachwuchs verhalf.

Die Zuordnung der Vorläuferzellen zu einer der genannten 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. Ratten oder auch Affen, transplantiert. Hier zeigten sich jedoch wenige Hinweise auf eine funktionale Beteiligung der Zellen an einem Gewebeverband.

Die Forschung an humanen embryonalen Stammzellen steht noch am Anfang. Im Hinblick auf eine mögliche klinische Anwendung stellen Antworten auf die folgenden Fragen aus der Grundlagenforschung eine Voraussetzung für den therapeutischen Einsatz von Stammzellen 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?

Folgenden Kriterien sind im Hinblick auf eine mögliche klinische Anwendung sowohl für embryonale Stammzellen als auch für adulte Stammzellen 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.

Klinische Forschung

Im Rahmen der klinischen Forschung werden u.a. medizinische Interventionen ob ihrer Wirksamkeit, Verträglichkeit und Sicherheit am Patienten geprüft. Lange galt eine baldige klinische Anwendung der Stammzellforschung als unrealistisch. Angebote für stammzellbasierte Therapien wurden allenfalls von dubiosen Privatkliniken in Ländern ohne entgegenwirkende Regulierungen beworben. Zwischenzeitlich wurden jedoch verschiedene klinische Forschungsvorhaben durchgeführt, die Anlass zu einer Revision der vormaligen Einschätzung geben:

Im Oktober 2010 haben Ärzte im Shepherd Center in Atlanta, USA, erstmals einen teilweise gelähmten Patienten mit embryonalen Stammzellen behandelt. Der Eingriff erfolgte im Rahmen einer im Januar 2010 von der US-Arzneimittelbehörde FDA zugelassenen klinischen Studie des Biotechnikunternehmens Geron. An der Phase 1 Studie sollten insgesamt zehn Patienten in sieben Kliniken in den USA teilnehmen. Als Ziel galt zunächst, die Sicherheit der Methode bei der Anwendung beim Menschen zu prüfen. Langfristig geht es darum, dass Querschnittgelähmte ihre Gefühls- und Bewegungsfähigkeit zurückgewinnen. Im Rahmen der so genannten GRNOPC1 Therapie wurden Patienten um die 2 Millionen aus embryonalen Stammzellen gewonnene Vorläuferzellen von Oligodendrozyten injiziert. Die Forscher hofften, dass sich die Vorläuferzellen in myelinproduzierende Oligodendrozyten umwandelten, welche die Weiterleitung von Nervenimpulsen ermöglichen. Die Studie wurde 2011 aus finanziellen Gründen beendet. Das Produkt sowie die Betreuung der bis dahin involvierten Probanden wurden von dem Biotechnologieunternehmen Asterias übernommen. Die Teilnehmer sollen noch über einen Zeitraum von 15 Jahren weiter beobachtet werden. Asterias erklärt auf seiner Website, dass bei keinem der insgesamt fünf mit dem experimentellen, hier als ast-opc1 bezeichneten, Therapeutikum behandelten Probanden unerwünschte Nebenwirkungen aufgetreten seien.

Eine weitere Studie an Patienten wurde von der US-Arzneimittelbehörde Ende November 2010 zugelassen. Das Biotech-Unternehmen Advanced Cell Technology (ACT) erhielt die Genehmigung, Patienten, die an der Augenkrankheit Morbus Stargardt leiden, mit aus embryonalen Stammzellen entwickelten Pigmentepithezellen zu behandeln. Um ethischen Bedenken bei der Verwendung von embryonalen Stammzellen zu begegnen, werden hierbei embryonale Zellen von Embryonen aus reproduktionsmedizinischen Zentren zum Einsatz gebracht, die gewonnen wurden, ohne die Embryonen zu zerstören. Den Embryonen werde vielmehr in einem sehr frühen Entwicklungsstadium eine von acht Zellen entnommen. Dieses Verfahren ist für die weitere Entwicklung des Embryos unbedenklich und wurde ursprünglich für die Untersuchung von IVF-Embryonen auf schwere genetische Defekte entwickelt.

Im Juni 2011 begann ein Forschungsteam um Steven Schwartz an der University of California mit der Auswahl geeigneter Patienten, die an Stargardt Macular Dystrophie, einer fortschreitenden Erblindung, die meist bereits im Kindesalter beginnt, oder an einer Form altersbedingter Makuladegeneration leiden, um erste klinische Versuche mit unter Verwendung embryonaler Stammzellen entwickelten Therapeutika durchzuführen. Nach erfolgreichen Versuchen am Rattenmodell haben die Forscher in einer Kohortenstudie an jeweils neun Patienten mit Stargardt Dystrophie bzw. Makuladegeneration, die durch die Erkrankungen geschädigten Zellen des Auges durch aus embryonalen Stammzellen gewonnenen Zellen ersetzt. Die Sehschärfe verbesserte sich dabei bei insgesamt zehn Patienten deutlich, bei sieben Patienten blieb sie unverändert bzw. leicht verbessert, bei einem Patienten verschlechterte sie sich.

Im April 2014 gelang es mithilfe eines Klonverfahrens, bei dem das Erbgut aus Hautzellen einer 32-jährigen Diabetikerin in eine zuvor entkernte Eizelle eingepflanzt (siehe Modul Erbgut aus Hautzellen einer 32-jährigen Diabetikerin in eine zuvor entkernte Eizelle eingepflanzt) worden war, pluripotente Stammzellen (siehe Modul Pluripotente Stammzellen als Diabetestherapie) zu gewinnen. Diese wurden dann mithilfe von Differenzierungs- und Wachstumsfaktoren zu insulinproduzierenden Beta- Zellen der Bauchspeicheldrüse herangezüchtet. Allerdings reicht die Menge dieser gezüchteten Zellen für den therapeutischen Einsatz bislang nicht aus.

Bereits 2013 wurden zwei Embryonen noch im Uterus zuvor aufbereitete Stammzellen injiziert, welche die Produktion von Kollagen, einem für den Knochenaufbau bedeutenden Protein, unterstützen sollten. Bei den Embryonen war zuvor die Glasknochenkrankheit (Osteogenesis imperfecta) diagnostiziert worden, welche zu schweren Beeinträchtigungen infolge zahlreicher Knochenbrüche führt, die auf einen genetischen Defekt und eine damit verbundene, gestörte Bildung von Kollagenen zurückzuführen ist. Die pränatale Anwendung der Stammzelltherapie ist vielversprechend, da zu diesem Entwicklungszeitpunkt die Abstoßungsgefahr fremder Zellen geringer ist. Die Therapie zeigte bei beiden bisher auf diese Weise behandelten und dann geborenen Kindern ein verbessertes Wachstum und verringertes Auftreten von Knochenbrüchen. Ab 2016 wird unter der Leitung des Karolinska Instituts in Stockholm eine Studie zu dieser Therapieform (siehe Modul Pränatale Stammzelltherapie der Glasknochenkrankheit) durchgeführt. Bisher gilt die Methode wegen der geringen Anzahl von Anwendungen als experimentell.

 

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