Geschichte der Stammzellen

Von Hidaya Aliouche, B.Sc.Überprüft von Dr. Tomislav Meštrović, MD, Ph.D.

Die Entdeckung von Stammzellen begann in den 1950er Jahren mit einer ungewöhnlichen Quelle – Teratokarzinomen und Tumoren, die eine Vielzahl (oder heterogene Mischung) von Gewebetypen enthalten. Dazu gehören voll spezialisierte, differenzierte Strukturen wie Zähne und Haare.

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Die Beobachtung von bösartigem Wachstum und Transplantierbarkeit ließ auf das Vorhandensein einer proliferativen (sich stark teilenden) und undifferenzierten (nicht spezialisierten und in der Lage, eine Reihe von Zelltypen zu produzieren) Zelle schließen. Ein bahnbrechendes Experiment zeigte, dass die Injektion von EC-Zellen in das Gehirn erwachsener Mäuse zu Teratokarzinomen führte; dies lieferte den konkreten Beweis, dass EC-Zellen alle zellulären Bestandteile des Teratokarzinoms produzieren können. Ein weiterer Beweis für ihre Fähigkeit zur Tumorvermehrung und Selbsterneuerung war ihre Fähigkeit zur Transplantation.

Keimzellen und embryonale Karzinomzellen

Der Ursprung der EC-Zellen liegt bei Mensch und Maus hauptsächlich im Hoden. Leroy Stevens entdeckte, dass die Teratokarzinome in 129 Inzuchtmausstämmen aus Keimzellen, den Zellen des Spermas und der Eizelle, entstanden sind. Paradoxerweise bilden Keimzellen weder Tumore noch differenzieren sie sich in andere Zelltypen.

Die Eizellen wiesen eine ähnliche Morphologie (Form) auf wie die Zellen des frühen Embryos, was ihren Keimzellenursprung bestätigte. Diese embryonalen Gründerzellen besitzen die Fähigkeit, die Zellen aller Körperlinien, die so genannten somatischen Zellen, hervorzubringen. Diese Eigenschaft wird als Pluripotenz bezeichnet, und solche Zellen konnten erhalten werden, wenn eine Probe des Teratokarzinoms seriell transplantiert wurde.

Potenz entdecken

EC-Zellen sind wie Zellen im frühen Embryo, die vor der Gastrulation auftreten. EC-Zellen können zu Zelllinien expandiert werden, was 1970 tatsächlich mit Kulturen aus Hoden- und embryonalen Teratokarzinomen gelang.

Die erfolgreiche Erklärung erforderte die Verwendung von Fibroblasten, die inaktiviert worden waren, um mitotische Teilungen zu verhindern. Diese Zellen sezernieren Faktoren, die die Aufrechterhaltung, Vermehrung und Lebensfähigkeit von EC-Zellen unterstützen.

Darüber hinaus zeigten die EC-Linien eine Variabilität in ihrer Fähigkeit zur Differenzierung, eine Beobachtung, die die Hypothese aufkommen ließ, dass nicht alle Zellen pluripotent sind; genauer gesagt gab es einen Unterschied im Potenzial der Zelle, verschiedene spezialisierte (differenzierte) Zelltypen hervorzubringen.

Diese Eigenschaft wird als Potenz bezeichnet, von der es vier Arten gibt, die hierarchisch geordnet sind:

1. Totipotenz – das Potenzial, alle Zelltypen im Embryo und im Erwachsenenalter hervorzubringen (z.g. der befruchteten Eizelle), so dass eine totipotente Zelle den gesamten Organismus hervorbringen kann
2. Pluripotenz – das Potenzial, Zellen aller Körperlinien hervorzubringen, aber nicht zu einem ganzen Organismus
3. Multipotenz – das Potenzial einer Zelle, eine begrenzte Anzahl von Zelltypen im Körper hervorzubringen
4. Unipotenz – die Fähigkeit einer Zelle, nur einen einzigen Zelltyp hervorzubringen

Aus diesen sich selbst erneuernden, undifferenzierten Zellen können endständig differenzierte Zellen entstehen. Die Wissenschaftler Martin Evans und Gail Martin konzentrierten sich stattdessen auf Möglichkeiten, die Pluripotenz zu erhalten, von der wir heute wissen, dass sie der stärkste Zelltyp ist. Sie fanden heraus, dass Subklone pluripotenter EG-Zellen, wenn sie auf einer Zubringerschicht gezüchtet wurden und diese Schicht fehlte, eine gemischte Population fibroblastischer Zellen (differenzierte Zellen) produzierten, die mit Nestern undifferenzierter Zellen durchsetzt waren.

Dieser Befund deutete darauf hin, dass EG-Zellen durch Differenzierung ihre eigenen Fibroblasten-Zubringerzellen produzieren können, und sie schlossen daraus, dass diese notwendig sein müssen, um die pluripotente Natur dieser Zellen zu erhalten. Gleichzeitig stellten Martin und Evans fest, dass das Serum, in dem die EC-Zellen suspendiert waren, sich in seiner Fähigkeit, die Expansion und Differenzierung der EC-Zellen zu unterstützen, unterschied. Dies führte zur Pluripotenz und in der Folge zu einer zuverlässigen Kulturmethode zur Herstellung und Vermehrung von EC-Zellen mit erhaltener Pluripotenz.

Stammzellen als Initiatoren des embryonalen Wachstums und der Entwicklung

Weitere Untersuchungen von EC-Zellen durch Martin und Evans ergaben, dass, wenn EC-Zellen aggregiert wurden, die entstandenen Kolonien Strukturen bildeten, die als embryoide Körper bezeichnet wurden und aufgrund ihrer Differenzierungsmerkmale eine spezifische embryonale Identität aufwiesen.

Die Ähnlichkeit zwischen beiden veranlasste zu weiteren Untersuchungen; um zu testen, ob die EG-Zellen zu einem Embryo beitragen können, wurden die EG-Zellen in Blastozysten (Präembryostrukturen, die sich 5-6 Tage nach der Befruchtung bilden) injiziert und die Ergebnisse analysiert.

In den meisten Fällen gelang es den EG-Zellen nicht, sich in den Embryo einzugliedern, einige erzeugten Tumore oder Entwicklungsanomalien. Einige pluripotente EG-Zelllinien besiedelten jedoch den Wirtsembryo, und anschließend wurden Chimären geboren.

Chimären sind Organismen, die zwei verschiedene DNA-Sätze enthalten; in diesem Fall wurden die Mäuse aus der in den Geschlechtszellen kodierten DNA und der DNA der EG-Zellen erzeugt. Dies zeigte, dass eine Untergruppe der EG-Zellen die Funktion normaler Embryozellen erfüllen und im Kontext der embryonalen Umgebung des Wirts arbeiten konnte.

Auf dem Weg zu einer gesunden Chimäre

Doch der Anteil der chimären Mäuse war gering. Dieser Befund sowie die großen Unterschiede in der Potenz zwischen den Linien, die Entwicklung chimärer Tumore und die Veränderungen in der genetischen Stabilität veranlassten die Forscher, nach einer anderen Quelle für pluripotente Zellen zu suchen.

Eine wahrscheinliche Erklärung für diese Vorkommnisse war die unveränderliche Wahrscheinlichkeit, dass EC-Zellen chromosomale Anomalien tragen. Alle Ergebnisse deuteten darauf hin, dass ihre Ähnlichkeit mit Embryonen fragwürdig war; genauer gesagt war ihre Fähigkeit, sich in einer embryonalähnlichen, pluripotenten Weise zu verhalten, von ihrem Auftreten in Tumoren und ihren inhärenten genetischen Anomalien abhängig.

Dagegen bot der Embryo selbst eine weniger problematische Quelle für pluripotente Stammzellen. Evans und Martins nutzten die gleichen Bedingungen für die optimierte Gewinnung von EC-Zellen auf Feederschichten, um erfolgreich undifferenzierte Zelllinien aus Mausblastozysten zu gewinnen.

Die resultierenden Zellen hatten eine funktionelle Ähnlichkeit mit EC-Zellen und konnten Teratokarzinome erzeugen, wenn sie in erwachsene Mäuse transplantiert wurden. Dies deutete darauf hin, dass sie sich in EG-Zellen verwandelt haben könnten.

Um diese Möglichkeit auszuschließen, stellte Evans 1984 fest, dass diese Zellen zu gesunden Chimären beitragen konnten, bei denen die DNA erfolgreich über die Keimbahn (Ei- und Samenzelle) übertragen worden war. Die pluripotenten Zellen, die aus einem Embryo gewonnen werden konnten, expandierten durch mehrere Teilungen, ohne sich zu verwandeln, und behielten ihre eigene genetische Zusammensetzung bei. Diese Zellen werden heute als embryonale Stammzellen (ESCs) bezeichnet.

Ein Jahrzehnt später entdeckte Matsui, dass aus primordialen Keimzellen (PGCs) proliferative Stammzellen hervorgehen können. Diese wurden als embryonale Keimzellen (EG) bezeichnet und sind, abgesehen von ihrer Herkunft, von den ES-Zellen praktisch nicht zu unterscheiden. Dies erklärt den Ursprung der Keimzellen oder Teratokarzinome – die Keimzellen wurden dazu gebracht, sich in vivo in pluripotente Stammzellen umzuwandeln.

Zukunftsperspektiven: Stammzelltherapie

Die Fähigkeit der genetischen Komponente von ES-Zellen, über die Keimbahn übertragen und beibehalten zu werden, bietet die Möglichkeit, genetische Veränderungen bei Mäusen vorzunehmen. Sie sind auch für eine Reihe von genetischen Manipulationsansätzen zugänglich und können erweitert werden, z. B. durch Merkmale, die die Trennung von Zellen ermöglichen, die seltene Ereignisse wie die homologe Rekombination durchlaufen haben, bei der Zellen eine genetische Veränderung in Form eines Austauschs zwischen zwei ähnlichen DNA-Molekülen erfahren.

Im Jahr 1989 wurden ES-Zellen mit einem genetischen Knockout erfolgreich erzeugt. Dieses Gen-Targeting von ES-Zellen ist seitdem weiter ausgebaut worden. Während sich die Forschung in den 1980er und frühen 1990er Jahren auf das genetische Targeting konzentrierte, wurde das Verständnis der Gründe für die Aufrechterhaltung der Pluripotenz in ES-Zellen in den späten 1990er Jahren vorangetrieben.

In diesen Jahren wurden die molekularen Mechanismen aufgedeckt, die den Zustand der ES-Zellen unterstützen. Die erstmalige Isolierung humaner embryonaler Stammzelllinien (hESC) hat den Schwerpunkt von Mausmodellen weg verlagert und die Erforschung ihrer therapeutischen Auswirkungen ermöglicht. Derzeit sind hESC unverzichtbar, und die Ergebnisse klinischer Studien auf der Grundlage von hESC werden einen Goldstandard für die künftige stammzellbasierte Therapie setzen.

Im Jahr 2006 wurde ein Durchbruch erzielt, indem Bedingungen identifiziert wurden, die eine zelluläre Umprogrammierung adulter Körperzellen ermöglichen, damit diese einen stammzellähnlichen Zustand annehmen können. Diese Zellen sind heute als induzierte pluripotente Stammzellen (iPSC) bekannt. Ihr therapeutischer Nutzen ist potenziell größer als der von hESCs, denn da diese Zellen dem Patienten selbst entnommen und dann umprogrammiert werden können, können Kliniker das Problem der Abstoßung vermeiden, das durch die Histokompatibilität verursacht wird.

Diese bezieht sich auf den Prozess, dass der Spender verschiedene Antigene besitzt, die dem Immunsystem des Empfängerwirts signalisieren, dass die Zelle fremd ist, und daher zu einer Immunreaktion führen, um die fremde Zelle zu zerstören. This is basically seen as organ rejection.

This additionally avoids the need for immunosuppressive treatment throughout the patient’s life to prevent this, and eliminates the ethical implications of hESCs, as iPSCs do not require an embryonic source for production. More research on the topic will definitely bring further progress in stem cell usage.

Written by

Hidaya Aliouche

Hidaya is a science communications enthusiast who has recently graduated and is embarking on a career in the science and medical copywriting. She has a B.Sc. in Biochemistry from The University of Manchester. She is passionate about writing and is particularly interested in microbiology, immunology, and biochemistry.

Citations