Aus Dem Vollen Schöpfen - Nfp 63 Stammzellen Und Regenerative

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WISSEN RUBRIK KLEIN Forscher auf der ganzen Welt haben eine Vision: Sie möchten aus Stammzellen, die jeder Mensch in sich trägt, neue Körperteile oder Organe herstellen. Was heute im Labor bereits gut gelingt: Die Züchtung von Knorpel, Hornhaut und Herzklappen. Stammzelle Aus körpereigenen Stammzellen lassen sich Herzklappen rekonstruieren und implantieren. Der Vorteil dieser Methode: Es gibt keine Abstossungsreaktion. AUS DEM VOLLEN SCHÖPFEN Mit Hilfe von Stammzellen kann sich die Haut, unser grösstes Organ, ständig er­­neuern. Und auch bei Verbrennungen, die nicht allzu tief gehen, hei­len Stammzellen die Wunde. Blutstammzellen, etwa für die ­Therapie von Leukämie, können am einfachsten aus dem Knochenmark des Beckens gewonnen werden. 30 Schweizer Familie 19/2015 Damit der Mensch überlebt, müssen sich Blut und Gewebe wie die Haut stets erneuern. Diese Fähigkeit zur Regeneration verdanken wir den STAMMZELLEN. Forscher nutzen die Kräfte der Alleskönnerinnen für die Heilung von Krankheiten. Text Hans-Martin Bürki-Spycher S ie sind produktiv. Unglaublich produktiv. Minute für Minute stel­ len die Stammzellen im mensch­ lichen Körper 300 Millionen neue ­Zellen her und erneuern damit unsere Haut, unser Blut, unser Haar. Ohne Stamm­ zellen wäre jeder Mensch innerhalb von wenigen Wochen tot. Fotos: Corbis, SPL Doch was genau sind Stammzellen? Viele haben den Begriff schon gehört, vielleicht im Zusammenhang mit Kos­ metika oder wenn es um Krankheiten geht oder um Embryos. Jedes Lebewesen ist aus Zellen aufge­ baut, aus mikroskopisch kleinen Gebil­ den. Bei Einzellern, wie zum Beispiel ➳ Schweizer Familie 19/2015 ➳ 31 WISSEN Blick in die Blutfabrik: In der Mitte sitzt die Stammzelle, umgeben von roten und kleinen weissen Blutkörperchen. WIE STAMMZELLEN BLUTKÖRPERCHEN BILDEN Im stark durch­ bluteten Inneren des Knochens, dem Knochen­ mark (rot), bilden die Blut­ stammzellen pro Sekunde zwei Millionen neue Blutkörperchen. Blutstammzelle Blutstammzelle Vorläuferzelle 1 Vorläuferzelle 2 fertige Blutzellen BlutBlut­kör­ perchen plättchen weisse Blutkörperchen Eine Blutstammzelle teilt sich in zwei ungleiche Tochterzellen: In eine Vorläuferzelle (1 oder 2) und in eine Stammzelle, die dem Pantoffeltierchen, besteht das ganze Lebewesen aus einer einzigen Zelle. Diese eine Zelle ist für alles zuständig: für die Fortbewegung, die Nahrungsaufnahme, die Vermehrung. Während zweieinhalb Milliarden Jahren der Erdgeschichte gab es auf unserem Planeten nur solch ein­ zellige Lebewesen. Dann, vor etwa 700 Millionen Jahren, der grosse Schritt der Evolution. Kolonien von Einzellern schlossen sich zusammen zu vielzelligen Lebewesen. «In einem vielzelligen Organismus müssen nicht mehr alle Zellen alles können; es gibt eine Arbeitsteilung», sagt Adrian Heuss. Der Biochemiker hat im Rahmen des Nationalen Forschungsprogramms NFP 63 «Stammzellen und regenerative Medizin» eine Ausstellung über Stammzellen konzipiert, die zurzeit am Zoologischen Museum in Zürich zu sehen ist (siehe Hinweis). In einem vielzelligen Lebewesen spezialisieren sich die einzelnen Zellen. Die meisten können sich nicht mehr teilen. Doch einige können das weiterhin; das sind die Stammzellen. Sie sind zuständig für Nachschub an neuen Zellen, für Wachstum und für Regeneration. Stamm32 Schweizer Familie 19/2015 mit der Mutterzelle identisch ist. Aus den Vorläuferzellen entstehen, je nach Bedarf, alle Sorten Blutkörperchen. Bei einer «In einem vielzelligen Organismus  müssen nicht mehr alle Zellen alles können. Es gibt eine Arbeitsteilung.» Adrian Heuss, Biochemiker zellen finden sich zum Beispiel in der Haut, in den Haarwurzeln, im Darm. Oder im Knochenmark: Dort sitzt die «Fabrik», in der die Blutzellen hergestellt werden, pro Sekunde zwei Millionen rote Blutkörperchen. Diese leben im Durchschnitt 100 bis 120 Tage. Gewisse weisse Blutkörperchen, die für die Abwehr von Krankheitserregern zuständig sind, leben viel kürzer, nur einen oder wenige Tage. Sie alle müssen laufend ersetzt werden. Zuständig dafür sind die Blutstammzellen im Knochenmark. «Wenn sich eine Blutstammzelle teilt, gibt es nicht zwei identische Tochterzellen», erklärt Adrian Heuss, «sondern eine Blutvorläuferzelle und eine weitere Blutstammzelle.» Aus den Vorläuferzellen entstehen die Zellen des Blutes: Blutplättchen, rote und alle Sorten weisser Blutkörperchen (siehe Illustration). Passiert bei der Produktion neuer Blutzellen ein Fehler, kann eine Krebszelle entstehen. Leukämie bricht aus. Infektion bildet der Körper vermehrt weisse Blut­ körperchen, um die Krankheitskeime unschädlich zu machen. Herausgefunden haben das die Forscher durch ein schreckliches Ereignis. Am 6. August 1945, gegen Ende des Zweiten Weltkriegs, warfen die US-Streitkräfte eine Atombombe auf Hiroshima ab. Die japanische Stadt wurde fast vollständig zerstört. Über 90 000 Menschen waren auf der Stelle tot. Viele, die die Atomexplosion überlebt hatten, wurden in den folgenden Wochen krank und starben. Die Wissenschaftler entdeckten, dass die atomare Strahlung bei den Opfern die Blutstammzellen zerstört hatte. Die Betroffenen starben, weil ihre Blutkörperchen nicht mehr ersetzt wurden. Selbstheilung unterstützen Die Mediziner überlegten, dass sich die Blutfabrik durch eine Knochenmarktransplantation eines gesunden Spenders womöglich reparieren lässt, und konnten das in späteren Experimenten tatsächlich belegen. Diese Erkenntnis kommt heute Menschen zugute, die an Leukämie (Blutkrebs) erkrankt sind. Passiert im Knochenmark bei der Produktion neuer Blutzellen ein Fehler, kann eine Krebszelle entstehen, die sich unkontrolliert teilt. Und plötzlich nehmen dann die weissen Blutkörperchen überhand. Leukämie bricht aus, eine tödliche Krankheit. Doch sie lässt sich heilen. «Bis heute sind weltweit über eine Million Leukämie-Patienten mit einer Knochenmarktransplanta­ tion behandelt und viele auch geheilt worden», sagt Adrian Heuss. (Mehr dazu in der Box rechts unten.) Dieser Zweig der Wissenschaft nennt sich regenerative Medizin. Es geht nicht um Implantieren oder Transplantieren. Sondern darum, den Körper bei der Selbstheilung zu unterstützen. Dabei spielen Stammzellen eine zentrale Rolle. Nicht nur unser Blut erneuert sich ständig, auch unsere Haut, die Darmoberfläche und ­viele andere Gewebe. Ein Grossteil des Hausstaubes besteht aus Hautschuppen, die von den Wohnungsbewohnern stammen. Die oberste Hautschicht des MenFotos: MedDesign Frank Geisler, Corbis schen wird ständig ausgewechselt, alte Hautzellen fallen ab, neue stossen von unten nach. Das merken wir jeweils, wenn die Bräune unserer Haut schon wenige Wochen nach den Ferien nachlässt. Die toten Hautzellen fallen als Schuppen zu Boden. Jeder Mensch verliert etwa ein halbes Kilogramm Hautschuppen pro Jahr. Wie die Haut erneuern sich viele menschliche Gewebe ständig: Haare, ­Nägel, Schleimhäute – alles muss fort­ laufend ersetzt werden. Da stellt sich die Frage: Wenn sich alles laufend regene- riert,   warum wird unser Körper dann trotzdem älter und stirbt schliesslich? «Die Leistungsfähigkeit der Zellen nimmt mit der Zeit ab», sagt Adrian Heuss. «Irgendwann ist die Produktionskraft unserer Stammzellen erschöpft. Und der Tod unausweichlich.» Haut aus dem Labor Im vitalen Menschen aber liefern Stammzellen stets Ersatz. Hat sich jemand ein Stück Haut verbrannt, sorgen die Hautstammzellen für die Wundheilung, sofern ➳ STAMMZELLENSPENDE FÜR LEUKÄMIE-KRANKE Die Spende von Blutstammzellen rettet Leben. Bei Leukämie-Patienten werden viel zu viele weisse Blutkörperchen produziert. Die kranken Blutzellen müssen ersetzt werden. Geeignete Spender zu finden, ist sehr schwierig, da nicht nur die Blutgruppe passen muss, sondern auch gewisse Strukturen auf den weissen Blutkörperchen, die sogenannten Humanen LeukozytenAntigene, kurz HLA. Es gibt Millionen von möglichen HLA-Kombinationen. Je mehr Menschen sich als mögliche Spender in den weltweiten Datenbanken registrieren lassen, desto mehr Leukämie­ Patienten können gerettet werden. Gespendet wird grösstenteils Blut, aus dem die Blutstammzellen direkt gewonnen werden können. Nur eine Minderheit spendet Knochenmark. Helfen Sie mit, retten Sie Leben! Mehr Infos gibt es bei Blutspende SRK Schweiz, 031 380 81 81. www.blutspende.ch Schweizer Familie 19/2015 33 WISSEN ZELLVERMEHRUNG IM LABOR Patient mit kaputtem Knie Dem Patienten werden Knorpelzellen ent­ nommen, zum Beispiel am gesunden Knie. Schliesslich bekommt der Patient den neuen Knorpel implantiert. Wird ein Knorpel verletzt, heilt er nur schlecht. Eine neue Methode verspricht Hilfe. Dem Patienten wer- Fabelhafte Selbstheilungs­ kraft: ­Verliert der Axolotl eines seiner vier Beine, wächst dieses dank Stamm­ zellen innert Wochen wieder nach. Innert zwei Wochen ­vervielfältigen sich die Zellen in einer Nährlösung. Danach werden sie auf ein Stützgerüst übertragen und bilden dort innerhalb von zwei Wochen neues Knorpelgewebe. den körpereigene, knorpelbildende Zellen, so­ genannte Chondrozyten, entnommen, im Labor vermehrt und wieder eingesetzt. Da es sich um körpereigene Zellen handelt, droht keine Abstossung. Meister der Erneuerung: Wird der Süss­ wasserpolyp Hydra zerschnitten, bildet sich aus jedem Teil ein neuer Polyp. die Verbrennung nicht zu tief reicht und die Stammzellen, die an der Grenze zwischen Oberhaut und Unterhaut sitzen, zerstört hat. Ist das passiert, hilft nur eine Hauttransplantation. «Dabei werden dem Brandopfer Hautstammzellen von einer unversehrten Körperstelle entnommen und damit im Labor Ersatzhaut gezüchtet», erklärt Lukas Sommer, Professor am Anatomischen Institut der Universität Zürich und Stammzellforscher. Die auf diese Weise vermehrte Haut wird dem Patienten transplantiert und wächst dann an. Was, wenn die Regenerations­fähigkeit gewisser Tiere auf den Menschen übertragen werden könnte? «Bisher schaffte man es nicht,  aus Stammzellen eine ganze funktionelle Haut herzustellen.» Lukas Sommer, Stammzellforscher Ersatzhaut lässt sich im Labor also bereits züchten, doch das Original ist komplexer. «Sie hat Anhänge wie Schweissdrüsen, Haarzellen und Talgdrüsen», sagt Lukas Sommer, «und bisher hat man es nicht geschafft, aus Stammzellen eine g­anze funktionelle Haut herzustellen.» Einfacher ist es, einheitliche Gewebe zu züchten. Bei Knorpel, Hornhaut und Herzklappen gelingt das schon ganz gut. Was den Forschern weltweit vorschwebt: Stammzellen dazu zu bringen, CORNÈRCARD UND BRITISH AIRWAYS BRINGEN SIE PUNKT FÜR PUNKT WEITER. Jeder Einsatz der neuen British Airways Karten von Cornèrcard zahlt sich in wertvollen Avios aus, die Sie für Flüge mit British Airways und allen weiteren weltweit führenden Airlines der oneworld® Alliance einsetzen können. 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Und der Axolotl, ein mexikanischer Schwanzlurch, schafft es, ein amputiertes Bein ­innerhalb weniger Wochen wieder nachwachsen zu lassen. Das weckt natürlich Hoffnungen und Sehnsüchte. Was, wenn diese Fähigkeiten Fotos: Picture Press, Interfoto auf den Menschen übertragen werden könnten? Wenn diese Selbstheilungskraft auch bei verlorenen Gliedmassen oder Rückenmarksverletzungen klappen würde? Zumindest die menschliche Leber kann sich erstaunlich gut regenerieren, das heisst nachwachsen, wenn ein Teil ­davon entfernt worden ist. Das wussten Anhaltendes Leiden: Ein Adler hackt Prometheus die stetig nachwachsende Leber aus dem Leib. offenbar schon die alten Griechen, in ­deren Mythologie der tragische Held Prometheus, zur Strafe, weil er Zeus hintergangen hatte, an einen Felsen gekettet, jeden Tag von einem Adler Besuch erhält, der ihm die Leber aus dem Bauch frisst – und diese wächst über Nacht stets wieder nach. Im wirklichen Leben dauert die ­Regeneration länger, einige Wochen. Ethische Bedenken Doch bei andern Organen hapert es mit der Selbstheilung. Wieso, wissen die Forscher nicht. Fakt ist, dass im Laufe der Entwicklung die Flexibilität der Stammzellen stark nachlässt. Die befruchtete ­Eizelle ist noch eine «Alleskönnerin», sie ist sogenannt totipotent. Aus ihr wächst ein ganzer Mensch. Im frühen Embryo­ nal­stadium sind die Stammzellen dann ­pluri­potent («Sehrvielkönner»): Sie bilden Herzzellen, Leberzellen, Hirnzellen aus, aber keinen ganzen Organismus mehr. Multipotente Stammzellen («Vielkönner») besitzt jeder von uns: Sie können alle Zelltypen eines Organs entwickeln, so wie die oben erwähnten Blutstammzellen. Uni­ potente Stammzellen schliesslich differen- ➳ Schweizer Familie 19/2015 35 WISSEN zieren sich nur noch in einen einzigen Zelltyp, zum Beispiel in Hautzellen. Embryonale Stammzellen können also noch viel mehr als unsere erwachsenen Stammzellen. Allerdings gibt es ethische Bedenken, sie zu verwenden, weil bei ihrer Entnahme der Embryo zerstört ­ wird. «Das Schweizervolk hat 2004 der Verwendung von überzähligen Embryonen aus In-vitro-Befruchtungen zu Forschungszwecken zwar zugestimmt», sagt Experte Lukas Sommer, «doch Alternativen sind wünschenswert.» Vor neun Jahren hat der Japaner Shinya Yamanaka es geschafft, Körper­ zellen zu Stammzellen umzuprogrammieren. Aus diesen sogenannten iPS-Zellen (induzierte pluripotente Stammzellen) könnten theoretisch sämtliche Arten von Körperzellen gewonnen werden. Das gab nicht nur einen Nobelpreis, sondern auch grosse Hoffnung unter den Wissenschaftlern. Aus frühen embryonalen Stamm­zellen, ab dem 8-ZellEmbryostadium, entwickeln sich unterschiedlichste Im Labor können Körpergewebe. Stammzellen gezüchtet und vermehrt werden. Dank pflanzen­ eigenen Stamm­ zellen lassen sich Zweige von den einen Bäumen auf andere auf­ pfropfen. Hier trägt ein ­Orangenbaum auch Zitronen. Aus erwachsenen Stammzellen ent­ stehen jeweils nur noch bestimmte Gewebe wie Muskeln oder Haut oder Blut oder Nerven oder Leberzellen. Erwachsene Stammzelle NabelschnurblutStammzelle Für den Traum der Forscher, mit  Stammzellen alle möglichen Gewebe zu machen, liefert die Natur Vorbilder. «Es bleibt aber noch viel Forschungsarbeit», sagt Lukas Sommer. Heikel sei zum Beispiel, dass diese Stammzellen sehr teilungsfreudig seien und so die Gefahr von Krebs bestehe. Ein Riesenvorteil sei jedoch – habe man die Methode erst mal im Griff –, dass einem Patienten Zellen entnommen, diese im Labor zu iPS-Zellen umfunktioniert werden könnten und daraus gesundes Gewebe hergestellt werden könnte. Und dieses kann dem Patienten wieder eingesetzt werden, ohne Abstos- Nervenzellen Aus dem Nabelschnurblut lassen sich, wie aus dem Knochenmark, Blutstammzellen gewinnen. Blutzellen Blutzelle Knochenzellen Leberzellen Muskelzellen Vom Embryo zum Erwachsenen: Die Alleskönner-Stammzellen zu Beginn des Lebens werden später zu Spezialisten für die Regeneration bestimmter Gewebe. sungsreaktion, wie man sie von Organtransplantationen her kennt. Bereits jetzt werden iPS-Zellen eingesetzt, um die Wirkung von Medikamenten an menschlichen Zellkulturen zu testen oder um Krankheitsabläufe zu studieren. Denkbar ist zum Beispiel, mit gesunden Bauchspeicheldrüsen-Stammzellen Diabetiker zu heilen oder mit intakten Hirnstammzellen Alzheimer- und Parkinsonpatienten. Die Stammzellforscherin Magdalena Götz vom Helmholtz-­Zentrum und von der Ludwig-Maximilians-Universität München forscht daran, sogenannte Gliazellen des Gehirns in Nervenzellen um­zuwandeln. Genau das tut der Zebrafisch von Natur aus. Er kann so Teile seines Gehirns regenerieren. Könnte das auch beim Menschen klappen? «Wir benötigen noch viel Grundlagenforschung», dämpft Magdalena Götz allzu grosse Euphorie. Das letzte Kapitel in dieser jungen Wissenschaft ist noch lange nicht ge­ ● schrieben. Die Ausstellung zum Thema «Stammzellen – Ursprung des Lebens» heisst die Ausstellung, die bis 14. Juni 2015 im Zoologischen Museum der Universität Zürich zu sehen ist. Öffnungszeiten: Di–Fr, 9–17 Uhr, Sa/So, 10–17 Uhr. Mo geschlossen. Eintritt frei. www.zm.uzh.ch Nationales Forschungsprogramm NFP 63 «Stammzellen und regenerative Medizin», www.nfp63.ch Fotos: Keystone/SPL, Biosphoto ANZEIGE ANZEIGE . Erbsorelsligle -zart und Uups-Momente passieren! süsslich-salzig, hü eimisch mitteleuropäisch-h lights by TENA wurden speziell für die Aufnahme kleiner Tröpfchen entwickelt. In spir iert zu hten? ne uen Ger ic kü ch e Je tz t Sa ison un d n re ie abon n ge w in nen ! 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