Schwerpunkt: Embryonale Stammzellen zur möglichen Therapie schwerer Krankheiten

Seit 1994 forschen wir am Kölner Institut für Neurophysiologie an embryonalen Stammzellen der Maus, und seit Anfang 2002 auch an embryonalen Stammzellen des Menschen. Ein vorrangiges Ziel unserer Arbeit ist die Grundlagenforschung zur Therapie schwerwiegender Erkrankungen durch Stammzelltransplantationen. Besondere Beachtung schenken wir der Therapie des Herzinfarktes, des Schlaganfalls und der Zuckerkrankheit sowie der Gefäßbildung in bösartigen Tumoren.

Was sind embryonale Stammzellen? 

Embryonale Stammzellen sind noch sehr „junge“ Zellen im Entwicklungslauf eines Körpers, die sich in ihrem frühen Stadium noch nicht entschieden haben, zu welchem der über 200 verschiedenen Zelltypen eines erwachsenen Organismus sie heranreifen werden. Sie sind „pluripotent“, d.h. sie haben das Potenzial, sich zu allen verschiedenen Körpergeweben entwickeln (=differenzieren) zu können, und sie können sich unbegrenzt vermehren, ohne abzusterben. Aus diesen beiden Gründen hat man mit embryonalen Stammzellen einen optimalen Zelltyp an der Hand, um vielleicht einmal Ersatzgewebe zur Linderung oder gar Heilung schwerer Krankheiten zu züchten, bei denen unwiederbringlich Zellen absterben, wie z.B. beim Herzinfarkt, bei der Zuckerkrankheit des Jugendlichen oder beim Schlaganfall.

Wie entstehen embryonale Stammzellen?

Wenn im Eileiter eines Säugetierorganismus eine Eizelle und eine Samenzelle verschmelzen, entsteht eine sog. Zygote“, die sich nun auf ihrem Weg in die Gebärmutter immer weiter zu teilen beginnt. Nach 2-Zell-,  4-Zell-, und 8-Zell-Stadium durchläuft der Keimling ohne Größenzunahme fortlaufende Teilungen bis hin zur sog. „Maulbeere“ (Morula), bei der bereits etwa einhundert Zellen vorliegen. Nun beginnt Flüssigkeit zwischen die einzelnen Zellen zu dringen, wodurch sich eine Höhle im Keimling bildet. Es entsteht so, noch vor der Einnistung in die Gebärmutter, der Bläschenkeim, die sog. „Blastozyste“, in dessen „innerer Zellmasse“ sich die embryonalen Stammzellen befinden.

Entnimmt man einer Blastozyste diese embryonalen Stammzellen und bringt sie ein geeignetes Kulturmedium ein, so lassen sich die Zellen permanent weiter vermehren, während sie ihr undifferenziertes Stadium beibehalten. Sie sind sozusagen unsterblich. Wir können deshalb mit Zellen arbeiten, deren „Vorfahren“ bereits vor 15 Jahren aus einer Mäuse-Blastozyste entnommen wurden. Es ist wichtig zu erwähnen, dass für die Stammzellforschung keineswegs immer wieder neue Blastozysten benötigt werden. Die so kultivierten embryonalen Stammzellen werden in flüssigem Stickstoff eingefroren aufbewahrt, und zur Verwendung aufgetaut.

Wie werden embryonale Stammzellen zu Gewebszellen?

Während der normalen Entwicklung im Mutterleib differenzieren sich die embryonalen Stammzellen über viele Zwischenschritte zu etwa 200 verschiedenen hoch spezialisierten Zelltypen. Eine Grundbedingung hierfür ist, dass die frühen Zellen miteinander in Kontakt treten, „Nachbarschaftsbeziehungen“ eingehen und miteinander kommunizieren. Sie schicken sich gegenseitig z.B. bestimmte Botenstoffe, die die jeweilige Zellentwicklung aufeinander abstimmen und so den Bau des Gesamtorganismus koordinieren.

Wir versuchen nun im Labor, genau diese Bedingungen nachzuahmen. Wir pipettieren einige hundert embryonale Stammzellen in einen Tropfen aus Nährlösung im Deckel einer Kulturschale und drehen die Schale dann um. Jetzt hängt der Tropfen – und in ihm die embryonalen Stammzellen -  aufgrund der Schwerkraft nach unten, wodurch die Stammzellen miteinander in Kontakt treten und die Differenzierung einleiten. Die so entstandenen Gebilde nennt man „Embryoid Bodies“, obwohl diese Aggregate mit einem wirklichen Embryo nichts zu tun haben. Sie könnten sich niemals zu einem lebenden Wesen entwickeln, da sie keine Plazentazellen bilden können, die für eine Einnistung in eine Gebärmutter – die ebenfalls nicht vorhanden ist – absolut notwendig sind.

In diesen Aggregaten treten die Zellen nun untereinander in Kontakt und fangen schließlich an, sich über verschiedene Zwischenstufen in unterschiedliche Zelltypen zu entwickeln – zu frühen Herzvorläuferzellen, glatten Gefäßmuskelzellen, Nerven-Vorläuferzellen und sogar zu Eizellen. Für uns Wissenschaftler ist es immer wieder ein faszinierender Moment, wenn wir im Mikroskop beobachten können, wie manche Zellen auf einmal zu zucken anfangen und beginnen, rhythmische Kontraktionen auszuführen. Sie bilden so erste Eigenschaften einer Pumpe für ein Kreislaufsystem aus, das sich parallel zu einem Gefäßnetz in den Aggregaten entwickelt.

Wie gewinnen wir spezielle Zelltypen?

Dürfen die Zellen nun ohne weiteres Zutun wachsen, entstehen, wie oben erwähnt, natürlicherweise nach und nach verschiedene Zelltypen, allerdings nicht ganz so schön geordnet, wie im Embryo. Wie gelingt es nun, beispielsweise ausschließlich Herzzellen zu züchten – dazu noch in so großen Mengen, wie man für eine spätere Transplantation benötigen würde. Um dies zu erreichen, greifen wir in unsere molekularbiologische Trickkiste: Zunächst machen wir die Herzzellen „sichtbar“, in dem wir das Gen für ein grün fluoreszierendes Protein (GFP) aus der atlantischen Qualle „Aequoria victoria“ in das Erbgut der Stammzellen einschleusen. Das GFP-Gen koppeln wir vorher an ein genetisches Schaltelement des Proteins Alpha-Actin, welches ausschließlich in Herzzellen ausgeprägt wird. Immer, wenn eine Zelle nun Alpha-Actin produziert, sich also zu einer Vorläuferzelle des Herzens entwickelt, stellt sie auch das grün fluoreszierende Protein her. Unter UV-Licht verrät sie sich im Fluoreszenzmikroskop an ihrem grünlichen  Leuchten. Auf diese Weise können wir die entstehenden Herzzellen leicht erkennen. Mit der gleichen Technik, der GFP-Markierung, lassen sich aber auch fast alle anderen Zelltypen isolieren und kultivieren, sofern man das GFP-Gen an ein jeweils für diesen Zelltyp spezifisches anderes Gen koppelt.

Um nun die Zahl z.B. der begehrten Herzzellen gegenüber den anderen Typen um ein Vielfaches zu steigern, benutzen wir einen zweiten Trick. Wir koppeln an die bereits vorhandenen Gene für Alpha-Actin und GFP noch ein weiteres, das diesmal die Zellen resistent gegenüber einem bestimmten Antibiotikum macht. Gibt man das Mittel in die Nährlösung der Aggregate, sterben alle Zellen darin ab – außer den Herzzellen, denen es ja nichts anhaben kann. Die so „aussortierten“ Zellen teilen sich dann ungestört weiter, und wir erhalten schließlich fast nur Herzzellen – die auch noch grün leuchten, wodurch sie später nach einer Transplantation leicht wieder aufzufinden sind. Auch diese Technik, „Antibiotika-Selektionsmethode“ genannt, ist für verschiedene Zelltypen anwendbar.

Was haben wir bisher erreicht?

Unsere Methode wurde mit Herzzellen bereits erfolgreich an Mäusen erprobt, bei denen wir künstlich einen Herzinfarkt auslösten. Dies geschah unter Leitung von Bernd Fleischmann, jetzt Direktor des I. Physiologischen Instituts der Rheinischen Friedrich-Willhelms-Universität Bonn sowie durch Willi Röll und Achim Welz von der Klinik für Herzchirurgie der Universität Bonn. Die Tiere wurden zuerst in einer speziell angefertigten Narkoseeinheit betäubt. Dann öffnete ihnen einer der beiden Herzchirurgen fachmännisch den Brustkorb. Auf das freigelegte Herz wurde an einer kleinen Stelle eine tiefgekühlte Kupferstange aufgesetzt. Das Gewebe gefror kurzfristig und wurde dadurch wie bei einem Infarkt funktionsuntüchtig. Direkt danach spritzten wir etwa einhunderttausend „grün leuchtende“ Herzvorläuferzellen, die wir aus embryonalen Stammzellen gezüchtet haben, in die gerade entstandene Schadstelle ein und verschlossen den Brustkorb wieder. Nach einigen Minuten erwachte die Maus aus ihrer Narkose und rannte in der Regel wieder normal umher. Etwa zwei Wochen später nahmen wir das Herz der Maus „unter die Lupe“ oder besser gesagt unter das Fluoreszenzmikroskop – auf der Suchen nach grün leuchtenden Zellen. Auf diese Weise wollten wir die alles entscheidende Frage beantworten, ob es die von uns gezüchteten Herzvorläuferzellen geschafft hatten, sich in funktionierendes Herzmuskelgewebe umzuwandeln. Und tatsächlich: im Fluoreszenzmikroskop waren leuchtend grüne Areale zu erkennen , wo vorher nur eine Narbe aus funktionslosem, derbem Bindegewebe war! Die Zellen hatten sich in rhythmisch kontrahierende Herzmuskelzellen verwandelt, die nun das kranke Organ dabei unterstützten, sich zu erholen.

Unserer Arbeitsgruppe ist es also gelungen, Teile einer Herzinfarktnarbe durch gezielt differenzierte embryonale Stammzellen zu ersetzen. Wir haben zudem mit unseren  Experimenten bewiesen, dass sich die neuen Herzzellen funktionell an das bereits vorhandene Herzmuskelgewebe ankoppeln, sich in den Gewebeverband integrieren und einen signifikanten Kraftzuwachs im Herzen erreichen – zumindest bei Mäusen. Es besteht also berechtigte Hoffnung für die Entwicklung neuer Therapien. Trotzdem werden noch mehrere Jahre vergehen, bis wir eventuell in der Lage sind, die Narben eines Herzinfarktes auch beim Menschen mithilfe von Stammzellen zu heilen. Denn wir müssen unsere Methode noch in vielen Versuchen aufs Genaueste prüfen. Eine israelische Forschergruppe in Haifa hat die in Köln entwickelte Technik bereits ein Stück weitergeführt und auf humane embryonale Stammzellen übertragen. Den Wissenschaftlern dort ist es gelungen, mit unseren Methoden menschliche Herzvorläuferzellen zu gewinnen. Der eine oder andere Schritt auf dem langen Weg von der Kultur embryonaler Stammzellen zur Therapie ist also schon geschafft, während andere Hürden noch genommen werden müssen.

Was muß noch erreicht werden?

Als erstes ist ganz genau zu untersuchen, wie gut sich eine transplantierte Zelle in das Wirtsgewebe einfügt und dort ihre physiologische Funktion aufnimmt. Am Beispiel des Herzens bedeutet dies, dass es nicht genügt, dass die transplantierte Zelle zur rhythmischen Kontraktion fähig ist ­– sie darf auch keine Herzrhythmusstörung auslösen. Ein zweiter, ganz entscheidender Aspekt gilt der Sicherheit: Wir müssen ausschließen können, dass das  transplantierte Material ein Teratokarzinom bildet. Hierzu haben wir die  Antibiotika-Selektion bei der Anzucht der Herzmuskelvorläufer weiter verfeinert (ein Verfahren, dass man „lineage selection“ nennt). Hierdurch vermeiden wir, dass Tumorzellen in den Körper gelangen.

Der dritte, genauer zu untersuchende Punkt betrifft das Risiko einer Abstoßungsreaktion – die transplantierte Zelle darf nicht vom Wirtsorganismus als fremd erkannt und abgewehrt werden. Darin steckt wohl das größte Problem, und die beste Lösung wäre vermutlich, eine Bank von etwa 200 verschiedenen Stammzell-Linien anzulegen, die den wichtigsten unterschiedlichen Immunitätstypen des Menschen entsprechen. Ähnliche Banken existieren bereits für die Knochenmarkstransplantation. Noch wissen wir aber nicht, ob diese Linien auf Dauer vital bleiben oder ob sie altern und dann in Abständen durch neue ersetzt werden müssen.

Nicht nur das Herz zählt

Doch wir forschen nicht nur am Herzen. Frau PD Dr. Maria Wartenberg und Prof. Dr. Heinrich Sauer, jetzt Universität Gießen, befassen sich intensiv mit der Bildung von Gefäßzellen aus embryonalen Stammzellen. Ein Schwerpunkt ihrer Forschung liegt dabei auf der Entschlüsselung der Mechanismen, die zur Bildung eben dieser Gefäßzellen führen, um die Gefäßneubildung in bösartigen Tumoren zu unterbinden. In Krebsgeschwülsten spielt die Blutversorgung eine entscheidende Rolle für das Wachstum. Gelingt es, bestimmte Prozesse dieser „Angiogenese“ gezielt auszuschalten, hat man vielleicht ein neue Waffe gegen Krebs in der Hand.

Herr Prof. Dr. Agapios Sachinidis beforscht intensiv, welche Gene in embryonalen Stammzellen zur Bildung bestimmter Zelltypen angeschaltet werden, um herauszufinden, wie der Körper – und schließlich auch der Wissenschaftler im Labor – Entwicklungsprozesse dieser Stammzellen zu bestimmten Gewebetypen steuern kann. Darüberhinaus beforscht Prof. Sachinidis auch die Funktion von Genen, die für sog. „proliferative“ Erkrankungen verantwortlich sind, also Erkrankungen wie Arteriosklerose und Krebs, bei denen es zu ungewolltem Zellwachstum kommt. Eine Besonderheit innerhalb dieses Forschungszweiges stellt die Untersuchung von Nahrungsmitteln dar, die, wie z.B. der chinesische grüne Tee, einen nachweislich hemmenden Effekt auf das Zellwachstum haben.

Herr Prof. Dr. Toni Schneider hat mit seiner Arbeitsgruppe mehrere Mauslinien erzeugt, in denen ein pharmakoresistenter spannungsgesteuerter Kalziumkanal entweder in allen Körperzellen oder gezielt in ausgesuchten Organen auf Genebene inaktiviert wurde. Diese sog. „Knock-out-Mäuse“ dienen als Modelle für Erkrankungen des Herzens (Herzrhythmusstörungen), der Bauspeicheldrüse (Diabetes) und des Gehirns (Epilepsie, Angst, Depressionen, Aggressionsstörungen).
Durch die Expression des pharmakoresistenten Kalziumkanals in Zellkulturen lassen sich zudem elementare Prozesse der Kalzium-gesteuerten Erregungssekretionskopplung (Kopplung elektrischer Signale mit der Transmitter- und Hormonfreisetzung) unter definierten Bedingungen studieren.
Weiterhin besteht eine enge Zusammenarbeit mit Prof. Sickel bei der Untersuchung der isolierten und umspülten Netzhaut (Retina).