Lungenstammzellen und ihre Funktion in Gesundheit, Reparatur und Krankheit

Chronische Lungenerkrankungen, darunter Krebs und chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD), gehören zu den häufigsten Todesursachen in Europa. Sie kosten die EU jährlich über 100 Milliarden Euro. Diese Erkrankungen führen zu Veränderungen von Zellen innerhalb der Lunge. Forschung an Lungenstammzellen könnte dabei helfen Ursachen dieser Krankheiten zu finden und damit als Grundlage für zukünftige Behandlungsmöglichkeiten dienen.

Viele der häufigsten Lungenerkrankungen in Europa wie Lungenkarzinom und chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD) werden von Veränderungen an Zellen innerhalb der Lunge verursacht. Studien zu Stammzellen in der Lunge könnten neue Erkenntnisse über diese Erkrankungen liefern und die Basis für künftige Behandlungsmöglichkeiten sein.

Lungenstammzellen sind wichtig für die ersten Schritte bei der Entstehung der Lunge im Fötus. Darüber hinaus deutet jüngste Arbeit darauf hin, dass sie bei Erwachsenen wichtig für die Reparatur von Lungenschäden sind.  Abhängig von dem Schaden den die erwachsene Lunge erhalten hat, nutzt sie verschiedene Stammzellpopulationen. Beschädigungen die durch eine Grippe ausgelöst wurden, werden zum Beispiel von anderen Stammzellen repariert als Schäden die durch die Inhalation von Chemikalien verursacht wurden.

Lungenstammzellen kommen in der entstehenden Lunge im Fötus und in der ausgewachsenen Lunge vor, doch diese Zellen sind nicht exakt gleich. Die Forscher wissen inzwischen, dass Veränderungen stattfinden, doch bisher ist noch wenig darüber bekannt, inwiefern sich diese Zellen unterscheiden.

Manche Wissenschaftler untersuchen den Kontrollmechanismus der bestimmt welche Lungenstammzellen nach einer Verletzung oder Infektion aktiviert werden.

Die Forscher untersuchen, wie Schäden an Genen, die Wachstum und Vermehrung von Lungenstammzellen steuern, möglicherweise Zellen entstehen lassen, die sich weiter teilen, vervielfältigen und dann möglicherweise zu einem Lungenkarzinom entwickeln.

Bisher wurde der Großteil der Forschung zu Lungenstammzellen an Mäusen durchgeführt, doch die ersten Studien untersuchen nun auch, wie die bisherigen Resultate auf humane Lungenzellen übertragbar sind.

Studien zur Funktionsweise humaner Lungenzellen im Labor sind sehr schwierig, da diese Zellen komplexe Strukturen und Gewebe bilden, die man im Labor bisher noch nicht künstlich nachbilden kann. Jedoch wurden neueste Fortschritte in den Oranoid Kultivierungsbedingungen auf die Lunge angewandt und erlauben es manches Verhalten der menschlichen Lungenstammzellen zu untersuchen.

Lungs

Unsere Lungen müssen schwer arbeiten. Während einer durchschnittlichen Lebenszeit nutzt der Mensch seine Lunge für 20-40 Millionen Atemzüge und damit für einen täglichen Luftdurchsatz zwischen 7,000 und 10,000 Litern. Die Lunge von Säugetieren besteht aus zwei verschiedenen Regionen:

  1. 1. dem luftleitenden Teil aus Trachea, Bronchien und Bronchiolen und
  2. 2. den Gasaustauschregionen, auch Lungenbläschen oder Alveolen genannt.

Forscher haben herausgefunden, dass beide dieser Lungenregionen einzigartige Typen von Stammzellen und Vorläuferzellen aufweisen. Vorläuferzellen finden sich in beiden Regionen der gesunden Lunge im Überfluss. Diese Zellen teilen sich um alte oder beschädigte Lungenzellen zu ersetzen und halten so die Lunge gesund. Vorläuferzellen umfassen tracheale Basalzellen, bronchioläre sekretorische Zellen (auch Club-Zellen genannt) und alveoläre Typ II Zellen. Es wird davon ausgegangen, dass die kontinuierliche Zellteilung dieser Vorläuferzellen ausreichend ist, um die Struktur der Lunge das ganze Erwachsenenleben über zu erneuen.

Stammzellen sind deutlich seltener als Vorläuferzellen, aber finden sich sowohl in embryonalen als auch adulten Lungen. Manche von ihnen tragen zur anfänglichen Lungenentwicklung bei, während andere ein Leben lang bei der Reparatur und Regeneration der Lunge helfen. Es wird vermutet, dass von Stammzellen ausgehende Probleme eine entscheidende Rolle bei Lungenerkrankungen spielen könnten. In Lungen von Mäusen wurde eine seltene Stammzellpopulation in den leitenden Atemwegen entdeckt. Diese können sich in Krankheitssituationen (z.B. bei grippalen Infekten) teilen und damit neue Zellen produzieren, die sowohl zur Reparatur der Atemwege als auch der Gasaustauschregionen beitragen. Stammzellen dieser Art wurden bereits im Labor kultiviert (in vitro Kultur) und haben sich bei der Behandlung von erkrankten Mauslungen als funktional erwiesen.

Lunge
Links: Gewebeausschnitt einer erwachsenen Lunge. Rechts: Anatomie der Lunge und Lungenstammzellen

 

Ein besseres Verständnis der Zellbiologie von Lungenstammzellen und -vorläuferzellen kann unser Wissen, wie die gesunde Lunge funktioniert, erweitern. Das kann wiederum Aufschluss geben über die Ursachen von Lungenerkrankungen, wie der chronisch obstruktiven Lungenerkrankung (COPD). Eine solche Forschung könnte damit zur Entwicklung neuer Medikamente oder anderer Behandlungsmöglichkeiten führen. Lungenstammzellen könnten auch in zukünftigen Therapien zur Reparatur oder Regeneration der Lungen von Patienten mit schweren Lungenschäden oder Lungenerkrankungen verwendet werden.

Lungenstammzellen wurden hauptsächlich in genetisch-veränderten Mäusen identifiziert und charakterisiert   Diese Studien ermöglichten Forschern die Unterschiede zwischen embryonalen und adulten Lungenstammzellen zu identifizieren, die Rolle von Stammzellen in der Reparatur der Lunge zu entdecken und zu erforschen, wie Veränderungen in Lungenstammzellen zu Lungenerkrankungen führen können. Ein aktuelles Augenmerk der Forschung ist es herauszufinden, ob sich die gleichen Stamm- und Vorläuferzellen wie in der Maus auch im Menschen finden lassen.

Fluorescence tagging of progenitor and stem cells before and after lung injury
Fluoreszenzmarkierung von Vorläufer- und Stammzellen vor und nach Lungenschädigung

Darüber hinaus arbeiten Forscher daran, die Rolle von Stammzellen in verschiedenen Lungenerkrankungen wie Krebs und COPD zu ermitteln. Sie haben ebenfalls damit begonnen, potentiell klinische Anwendungsmöglichkeiten in ersten humanen Studien zu erforschen um herauszufinden, ob Lungenstammzellen die Regeneration der Lunge unterstützen oder gar das gesamte Organ ersetzen können.

Während Wissenschaftler ihr Verständnis über die genaue Identität und Funktion von Lungenstammzellen verbessern, wird das Potential von Lungenstammzellen für klinische Anwendungsmöglichkeiten deutlich. Forscher werden Medikamente entdecken, welche Lungenstammzellen kontrollieren und als Behandlungsmöglichkeit für Lungenkrankheiten getestet werden können. Weitere Forschung wird auch die Anwendung von Lungenstammzellen in individuell abgestimmten Therapien untersuchen.

Dieses Factsheet wurde von Adam Giangreco und Emma Rawlins erstellt.

Übersetzung ins Deutsche von Christoph Budjan, Sabine Gogolok und Madeleine Heep.

Diagramm von Adam Giangreco. Bilder von Adam Giangreco und Emma Rawlins.