Embryonale Stammzellen: woher kommen sie und was können sie?

Embryonale Stammzellen regen die Fantasie von Wissenschaftlern und Laien gleichermaßen an. Aber was sind sie, wo kommen sie her und warum bemühen sich die Wissenschaftler auf der ganzen Welt so sehr, mehr über sie zu erfahren?

Humane embryonale Stammzellen (ES-Zellen) sind pluripotente Zellen. Das heißt, aus ihnen kann jede beliebige Zelle im Körper hervorgehen. Sie entstehen aus Zellen, die im menschlichen Embryo in einem sehr frühen Stadium vorkommen: der Blastozyste.

In vielen Bereichen der Wissenschaft werden ES-Zellen von Mäusen verwendet, um zu untersuchen, wie sich Blastozysten in adulte Zellen verwandeln und welche Signale Stammzellen dazu bringen, sich in spezialisierte Zellen zu differenzieren.

Durch die Erschaffung von „Chimären“-Mäusen mit genetisch modifizierten ES-Zellen ist das Wissen über die embryonale Entwicklung und über Krankheiten enorm gewachsen. Mithilfe dieser Mäuse können Forscher testen, wie bestimmte Gene Zellfunktionen und Krankheiten beeinflussen.

Forscher lernen, wie viele verschiedene spezialisierte, im Körper vorkommende Zelltypen erzeugt werden können, indem sie ES-Zellen unterschiedlichen Signalmolekülen und Wachstumsbedingungen aussetzen.

ES-Zellen der Maus werden derzeit verwendet, um zu verstehen, wie sich der Körper vom frühesten embryonalen Stadium bis zur Entstehung komplexer Organe entwickelt.

Die Forscher lernen, wie sich Zellen zu komplexen Geweben zusammenfügen wie sie z. B. in den Schichten des Gehirns vorkommen, indem sie versuchen, primitive Organe im Labor zu züchten.

Viele Studien beschäftigen sich damit, wie ES-Zellen möglicherweise zur Behandlung zahlreicher verschiedener Krankheiten – von Multipler Sklerose bis zu Erblindung und Diabetes – eingesetzt werden könnten.

Es gibt Unterschiede in der Funktionsweise der ES-Zellen von Mäusen und von Menschen. Aus moralischen und ethischen Gründen können die Forscher die Versuche, die sie an Mäuse-ES-Zellen durchführen nicht an menschlichen ES-Zellen vornehmen. Deshalb müssen sie auf komplizierteren und indirekten Wegen versuchen herauszufinden, wie humane ES-Zellen funktionieren.

Ein anderer fordernder Bereich ist die exakte Kontrolle der Differenzierung von ES-Zellen in unzählige spezialisierte Zelltypen.

Ein wichtiges, nicht leicht zu erreichendes Ziel ist die Suche nach Möglichkeiten, wie aus Stammzellen zuverlässig große Mengen spezialisierten Zellen gewonnen werden können, die identisch sind.

Embryonale Stammzellen werden aus Zellen gezüchtet, die im Embryo vorkommen, wenn er gerade ein paar Tage alt ist. Bei Menschen, Mäusen und anderen Säugetieren besteht der Embryo in diesem Stadium aus einer Kugel aus ca. 100 Zellen. Diese Kugel wird als Blastozyste bezeichnet und hat zwei Bestandteile:

  1. Blastozyste
  2. Eine äußere Zellschicht, das Trophektoderm, bildet die Plazenta, die den Embryo bei seinem Wachstum in der Gebärmutter unterstützt.
  3. Ein innerer Zellklumpen, die innere Zellmasse, ist eine Kugel aus 10–20 Zellen. Diese Zellen sind undifferenziert, also nicht spezialisiert. Aus ihnen entstehen durch Vermehrung und weitreichende Differenzierung die vielen Zelltypen, die zur Bildung eines vollständigen Lebewesens erforderlich sind.

Die Zellen der inneren Zellmasse sind pluripotent: Aus ihnen kann jeder Zelltyp im Körper entstehen.

Mouse blastocyst
Mausblastozyste 3,5 Tage alt: Die innere Zellmasse ist grün gefärbt und das Trophektoderm rot.

Wenn aus der Blastozyste einer Maus die innere Zellmasse herausgenommen wird und die richtigen Nährstoffe erhält, können die plruipotenten Zellen im Labor weiter gezüchtet werden. Der Prozess der Zellreifung und -spezialisierung, der normalerweise im Embryo ablaufen würde, wird angehalten. Stattdessen vermehren sich die Zellen und es entstehen noch mehr undifferenzierte Zellen, die den Zellen der inneren Zellmasse gleichen. Diese im Labor gezüchteten Zellen werden als embryonale Stammzellen (ES-Zellen) bezeichnet.

Embryonale Stammzellen
Embryonale Stammzellen können können sich selbst kopieren und sich in andere, spezialisiertere Zelltypen weiterentwickeln

 

ES-Zellen der Maus können in eine Blastozyste der Maus zurück verpflanzt werden und diese Blastozyste kann sich dann nach dem Einsetzen in die Gebärmutter einer weiblichen Maus in einen Fötus entwickeln. Die injizierten ES-Zellen sind an der Entwicklung des Embryos beteiligt und es wird ein Junges geboren, das eine Zellmischung in sich trägt, die aus (a) Zellen der Wirts-Blastozyste und (b) Zellen, die von den injizierten ES-Zellen abstammen, besteht. Diese neue Maus mit Zellen, die aus zwei verschiedenen Organismen abstammen, wird Chimäre bezeichnet.

Chimären können Gene aus embryonalen Stammzellen an ihre Nachkommen weitergeben. Die Forscher können Gene in ES-Zellen im Labor präzise verändern, die Zellen wieder in Blastozysten zurück verpflanzen und neue Mäuse entstehen lassen, welche die modifizierte Gene im Genom haben. Wissenschaftler verwenden genetisch veränderte Mäuse aus ES-Zellen zur Untersuchung von Genen, die an vielen Erkrankungen des Menschen beteiligt sind. Sie haben beispielsweise Mäuse mit Mutationen gezüchtet, die in Krebs beim Menschen vorkommen. Diese Mäuse können untersucht werden, um mehr über das Wachstum von Krebs zu erfahren und mögliche Arzneimittel zu testen. Der ungeheure Wert dieser Technik für Wissenschaft und Medizin wurde 2007 anerkannt, als der Nobelpreis für Medizin drei Wissenschaftlern verliehen wurde, die bei der Verwendung von ES-Zellen zur Erzeugung genetisch modifizierter Mäuse Pionierarbeit geleistet haben.

Wissenschaftler haben außerdem Stamzellen aus der inneren Zellenmasse von menschlichen Embryonen gezüchtet, wobei sie dabei eine ähnliche Technik angewendet haben, wie sie für die Isolation von Mäuse-ES-Zellen benutzt wird. Mehr über die menschlichen Embryonen, die für diese Forschung verwendet wurden, und über deren Herkunft können Sie im Factsheet, Embryonale Stammzellenforschung: ein ethisches Dilemma nachlesen. Es ist nicht erlaubt, humane Zellen in Blastozysten zurück zuinjizieren, doch diese Zellen können im Labor in viele verschiedene spezialisierte Zelltypen differenziert werden. Durch die Verwendung von humanen ES-Zellen zur Gewinnung von spezialisierten Zellen wie Nervenzellen oder Herzzellen im Labor können Wissenschaftler auf humane adulte Zellen zugreifen, ohne dass sie den Patienten Gewebe entnehmen müssen. Diese spezialisierten adulten Zellen können sie dann ausführlich untersuchen, um herauszufinden, was bei bestimmten Krankheiten schief läuft, oder um zu untersuchen, wie die Zellen auf mögliche neue Arzneimittel ansprechen.

ES-Zellen von Menschen und ES-Zellen von Mäuse haben einige unterschiedliche Eigenschaften. Wissenschaftler versuchen zu verstehen, warum dies so ist und ob menschliche Zellen mit den gleichen Eigenschaften wie Maus ES-Zellen gewonnen werden können. Die Forscher arbeiten außerdem daran, Methoden zur Gewinnung spezieller adulter Zelltypen aus ES-Zellen im Labor zu erweitern und zu perfektionieren. Die exakte Kontrolle der Differenzierung von ES-Zellen ist immer noch eine große Herausforderung. Und dennoch untersuchen bereits einige Wissenschaftler, ob ES-Zellen zur Züchtung von adulten Zellen verwendet werden könnten, die man in Patienten transplantieren könnte, um die Heilung von verletztem oder erkranktem Gewebe zu unterstützen.

Dieses Factsheet wurde von Kate Blair erstellt und von Jenny Nichols und Austin Smith geprüft.

Bild "Menschliche Blastozyste" (Hauptbild) von Mila Roode. Foto "Blastozyste der Maus" von Maria Elena Torres Padilla. Foto "Chimäre Maus" von Jenny Nichols. Foto "Neuron" von Oliver Brüstle. Alle anderen Bilder und Grafiken von Kate Blair.