Motoneuron-Krankheit: wie können Stammzellen helfen?

Die Motoneuron-Krankheit (MND) ist eine seltene aber sehr ernste neurodegenerative Erkrankung. Eine Form der MND ist die amyotrophe Lateralsklerose (ALS). Gängige Therapien können Symptome lindern aber bis jetzt gibt es keine Möglichkeit zur vollständigen Heilung. Wie können Stammzellen helfen?

Verschiedene Krankheiten, ausgelöst durch Schäden an Nervenzellen (Neuronen), die unsere Muskeln kontrollieren, werden kollektiv als Motoneuron-Krankheiten (MND) bezeichnet. Derzeitig gibt es für MND keine Heilung, so daß die meisten Behandlungen auf das Erleichtern der Symptome ausgerichtet sind, um die Lebensqualität der Person zu verbessern.

Ungefähr 10% der MND Fälle werden von den Eltern auf die Kinder vererbt. Der Auslöser für die meisten Fälle (90%) ist zur Zeit noch unbekannt.

Es gibt viele Zellen im Gehirn, die die Neuronen versorgen und bei ihrer Funktion unterstützen. Mehrere Indizien weisen nun darauf hin, daß Motoneuronen für Schäden anfällig werden, wenn die sie unterstützenden Zellen funktionsunfähig werden.

Forscher verwenden nun Stammzellen, um Methoden zum Wachsen von Neuronen oder anderen Zellen in Petrischalen zu entwickeln, mit denen sie MND simulieren (‘modellieren’) können. Auf diese Weise können Forscher die Auslöser für Nervenschäden aufdecken und studieren und wodurch diese verhindert werden könnten. Stammzellsysteme eignen sich auch sehr gut zum Entdecken von neuen Medikamenten und um die Sicherheit und Effektivität neuer Behandlungen zu testen.

Stammzellen werden auch für die Behandlung von MND Patienten entwickelt. Stammzellen sind eventuell in der Lage, schädliche Immunreaktionen zu regulieren oder sogar Wachstumsfaktoren zu produzieren, die den Neuronen helfen, zu überleben und die Schäden zu reparieren.

Forscher wissen relativ wenig über MND aufgrund ihrer komplexen Erscheinung und den verschiedenartigen Symptomen. Diese Komplexität bedeutet auch, daß MND Behandlungen viele Veränderungen im Körper gleichzeitig beheben müßten, um weitere Schäden am Nervensystem effektiv stoppen zu koennen.

Das Beheben von durch MND verursachten Schäden bedeutet eine noch größere Herausforderung. Forscher prüfen Methoden, mit denen Stammzellen zur Wiederherstellung des Nervensystems benutzt werden können, in dem sie neue Neuronen und unterstützende Zellen erzeugen. Um die Funktion wieder völlig herstellen zu können, müssen sich diese neuen Zellen richtig in das Netzwerk von Zellen im Nervensystem einfügen.

Human neural stem cells

Die Bezeichnung Motoneuron-Krankheit (MND) steht eigentlich für mehrere verschiedene Erkrankungen, die alle eine Art von motorischer Nervenzelle betreffen, das sogenannte Motoneuron (motorisches Neuron). Motoneuronen findet man im Gehirn und im Rückenmark. Sie sind für die Weiterleitung von Signalen zwischen Gehirn und Muskeln verantwortlich und steuern so Bewegungen. Bei MND werden diese Motoneuronen geschädigt und die Reizweiterleitung wird unterbrochen, was zu fortschreitender Lähmung führt. Patienten leiden an verschiedenen Symptomen wie zum Beispiel unkontrollierbaren Zuckungen, Muskelschwäche, Sprechschwierigkeiten, Schluck- oder auch Atemstörungen. Mit der Zeit beginnen die Muskeln schwächer zu werden, was die Symptome weiter verschlechtert.

Die bekannteste Form von MND ist die amyotrophe Lateralsklerose (ALS), die zwischen 60-70% aller Fälle ausmacht. In den USA ist sie auch als Lou-Gehrig-Syndrom bekannt.

Einige Formen von MND sind erblich: sie werden innerhalb der Familie weitergegeben. Ungefähr 10% aller MNDs fallen unter diese Kategorie. Eine Mutation - oder Veränderung - im Gen Superoxid Dismutase 1 (SOD1) zum Beispiel war die erste genetische Ursache von der man nachweisen konnte, dass sie zu familiärer ALS führt. Diese familiäre Form der Erkrankung ist in ihrer Ausprägung identisch mit anderen Formen von ALS.

Die meisten MNDs sind nicht erblich und die Ursache der Erkrankung ist unbekannt. Diese sporadischen, nicht-erblichen MNDs werden vermutlich durch eine Kombination genetischer Risikofaktoren, Umweltbedingungen und verschiedener Faktoren in der Lebensführung des Patienten ausgelöst. Wissenschaftler glauben, dass die Motoneuronen nicht nur aufgrund von Veränderungen innerhalb der Zellen geschädigt werden, sondern dass diese Schädigung auch in der unmittelbaren Umgebung der Motoneuronen stattfindet. Es wurde nachgewiesen, dass auch andere Zellarten im Nervensystem eine Rolle bei dieser Erkrankung spielen.

Bis heute kann die Motoneuron-Krankheit nicht geheilt werden. Aktuelle Therapien konzentrieren sich darauf, die Symptome zu lindern und die Lebensqualität der Patienten zu steigern. Die einzige zugelassene Therapie, die direkt den Krankheitsmechanismus beeinflusst, ist Riluzol aber dessen günstige Wirkung ist sehr eingeschränkt. Wissenschaftler suchen nun nach effizienteren Behandlungsmethoden.

Bis jetzt wissen wir nur sehr wenig darüber, wie und warum Motoneuronen geschädigt werden und degenerieren. Viele verschiedene Faktoren scheinen an Ausbruch und Fortschreiten der Krankheit beteiligt zu sein. Um Patienten dauerhaft zu heilen muss eine Therapie die meisten, wenn nicht sogar alle dieser schädigenden Veränderungen im Körper adressieren.

Wissenschaftler haben damit begonnen, Stammzellen genauer zu studieren um herauszufinden, was genau während der Erkrankung passiert und auch ob man diese Zellen für neuartige Behandlungsmöglichkeiten verwenden könnte. Es gibt verschiedene Arten von Stammzellen, die alle unterschiedliche Möglichkeiten für Forschung und Therapie biete

Mit Stammzellen die Motoneuron-Krankheit besser verstehen
Die Motoneuronen, die von MNDs beeinträchtigt werden, sind im Gehirn und Rückenmark zu finden. Das bedeutet, dass diese Krankheit nur sehr schwer direkt am Patienten studiert werden kann, auch sind Proben erkrankter Zellen zur näheren Untersuchung im Labor sehr schwierig und selten zu bekommen. Im Jahr 2008 verwendete ein Forscherteam an der Harvard University in den USA Hautzellen eines ALS Patienten um dieses Problem zu umgehen. Die Wissenschaftler transformierten die Hautzellen zuerst in induzierte pluripotente Stammzellen (iPS Zellen) - laborgewachsene Stammzellen, die sich wie embryonale Stammzellen verhalten und die Fähigkeit besitzen, alle Zellen im Körper nachzubilden. Dann verwendeten sie diese IPS-Zellen um daraus Motoneuronen herzustellen, welche dieselben Anzeichen von ALS aufwiesen. Viele Wissenschaftler haben seither ihre Motoneuronen auf dieselbe Weise hergestellt.

Diese laborgewachsenen Motoneuronen stellen ein sehr effizientes Werkzeug dar, um menschliche Zellen im Krankheitszustand zu studieren, neue Hinweise auf ihre Veränderungen zu finden und zu beobachten, wie sie aufeinander wirken und von Zellen in ihrer Nachbarschaft beeinflusst werden. Wissenschaftler können Zellen von verschiedenen Patienten verwenden, um Unterschiede und Ähnlichkeiten zwischen den verschiedenen MND Formen zu identifizieren. Die Möglichkeit große Mengen von Motoneuronen zu produzieren erlaubt den Forschern auch, potentielle Arzneimittel direkt an den Zellen zu testen.

Stammzellen als Therapie
Obwohl einige der Stammzellen dazu verwendet werden können, Motoneuronen im Labor zu erzeugen, bezweifeln Wissenschaftler, dass allein die Verpflanzung dieser laborgewachsenen Neuronen direkt in den Patienten eine effiziente Therapie für MND darstellt. Die transplantierten Zellen würden beide Gruppen von Motoneuronen ersetzen müssen, die von der Krankheit betroffen sind (im Gehirn und Rückenmark) und sie würden überdies auch die richtigen Verbindungen zwischen komplexen Netzwerken herstellen müssen, welche die Muskeln mit dem Gehirn verbinden. Da viele verschiedene Faktoren bei der Krankheitsentstehung eine Rolle spielen, ist es möglich, dass auch die neu transplantierten, gesunden Zellen bald wieder beschädigt würden.

Aus all diesen Gründen glauben die Wissenschaftler, dass sehr viel mehr Forschungsarbeit notwendig ist, bevor man die transplantierten laborgewachsenen Motoneuronen in klinischen Studien verwenden kann. Aktuell untersuchen Forscher welche Arten von Stammzellen zielgerichtet für die verschiedenen Aspekte der Erkrankung verwendet werden können und wie jeder Zelltyp am sinnvollsten eingesetzt werden kann.  Es ist wahrscheinlich, dass eine Kombination von Herangehensweisen für eine erfolgreiche Therapie notwendig sein wird, die gleichzeitig eine ganze Anzahl von Problemen in Angriff nimmt:

  • Sie schützt die verbleibenden Motoneuronen des Patienten, unterstützt deren Wachstum und fördert eine Zunahme der Anzahl gesunder Motoneuronen.
  • Sie korrigiert schädigende Einflusse in der Umgebung der Motoneuronen.
  • Sie zielt nicht nur auf das Rückenmark sondern auch auf die Verbindungspunkte zwischen den Motoneuronen und Muskeln selbst, um die Neuronen zu befähigen, Signale vom und zum Muskel weiterzuleiten.

Verschiedene Arten von Stammzellen werden auf ihr Potential getestet, diese Probleme zu lösen, inklusive embryonaler und mesenchymaler Stammzellen. Zellen die "neuronale Vorläuferzellen (Progenitorzellen)" genannt werden und für die Herstellung neuer Neuronen im Körper verantwortlich sind, werden ebenfalls untersucht. Unter den vielversprechendsten Kandidaten bis jetzt sind Rückenmarks-Stammzellen, die sowohl Motoneuronen als auch Glia Zellen produzieren können. Gliazellen sezernieren viele Proteine, unter anderem Wachstumsfaktoren, die den Motoneuronen helfen sich zu entwickeln. Es könnte auch möglich sein, nicht-neuronale Zellen wie Gliazellen dazu zu verwenden, weiteren Schaden an Motoneuronen zu verhindern und die Reparatur zu fördern indem man eine funktionierende Version des SOD1 Proteins bereitstellt, das in einigen Arten von MND einen Defekt aufweist.

Obwohl Stammzellen bereits jetzt in der MND Forschung sehr hilfreich sind, gibt es aktuell keine zugelassenen Stammzell-Therapien für MNDs. In Zukunft könnten sie uns jedoch die Möglichkeit geben, viele oder sogar alle zugrundeliegenden Auslöser dieser Krankheit zu behandeln und dem Körper dabei zu helfen, seine Fähigkeit zur Selbstheilung wiederherzustellen. Es ist jedoch mehr Forschung notwendig, um herauszufinden, welche Arten von Stammzellen für diese Aufgabe geeignet sind und wie man sie am besten nutzen kann, um sichere und effiziente Behandlungsmöglichkeiten zu gewährleisten.

Laborstudien weisen darauf hin, dass gewisse Arten von Stammzellen in Zukunft in der ALS-Therapie effektiv sein könnten. Mesenchymale Stammzellen oder neuronale Progenitorzellen wurden bereits in Mäuse verpflanzt, die ähnliche Motoneuronschäden aufwiesen wie man sie in ALS findet. Studien zeigen, dass die Krankheit in diesen Mäusen langsamer fortschreitet, sie zeigen geringere Verluste an Motoneuronen und ihre Lebenserwartung verbessert sich. Humane neuronale Progenitorzellen wurden genetisch verändert um einen Wachstumsfaktor zu produzieren, der Motoneuronen beim Wachsen hilft und in einem Experiment mit Ratten auch eine Schutzfunktion für Motoneuronen aufweist. Zusätzlich haben Forschungsergebnisse an größeren Tieren und Menschen gezeigt, dass es möglich ist, genetisch veränderte Zellen sicher ins Rückenmark zu verpflanzen.

Eine erste klinische Studie über die Sicherheit von Injektionen humaner Rückenmarksstammzellen in das Rückenmark von ALS Patienten wurde im Juni 2012 abgeschlossen. Zwölf Patienten nahmen an dieser Studie teil und bei keinem zeigten sich Nebenwirkungen. Dies ist ein vielversprechender erster Hinweis auf die Durchführbarkeit einer solchen Methode und lässt vermuten, dass sie sicher ist. Weitere Forschungsarbeit ist nun vonnöten um herauszufinden was genau mit den transplantierten Zellen passiert, wenn sie erst im Rückenmark sind, und wie effizient sie den Schaden reparieren können.

Dieses Factsheet wurde erstellt von Christine Weber und geprüft durch Siddharthan Chandran und Rebecca Devon.
Übersetzung ins Deutsche: Christine Weber.

Hauptabbildung mit humanen neuralen Stammzellen von Anne Rowling Regenerative Neurology Clinic. Abbildung der Motorneuronen, die aus iPS-Zellen hergestellt wurden von Gist Croft und Mackenzie Weygandt und dem Gewinner des Wettbewerbs "2009 Olympus BioScapes Digital Imaging Competition®".