Behandlung von Blindheit, Parkinson, Herzkrankheiten ... Sind diese Stammzellen wirklich so wirkungsvoll?

Autor: Zhu Jieying (Guangzhou Institutes of Biomedicine and Health, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Der Artikel stammt vom offiziellen Account der Science Academy (ID: kexuedayuan)

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Im Jahr 2019 operierte Kohji Nishida, ein Augenarzt an der Universität Osaka in Japan, eine Frau in ihren Vierzigern und transplantierte Hornhautstammzellen in die geschädigte Hornhaut der Frau. Derzeit, einen Monat nach der Operation, ist die Hornhaut des Patienten immer noch klar, seine Sehkraft hat sich verbessert und er kann bereits Bücher und Zeitungen lesen.

Kohji Nishida, Augenarzt an der Universität Osaka in Japan (Fotoquelle: persönliche Website von Kohji Nishida)

Dieses Mal waren es induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs), die das Wunder vollbrachten. Wie wird das Sehvermögen des Patienten wiederhergestellt? Welche weiteren Einsatzmöglichkeiten gibt es derzeit für diesen Stammzellentyp?

Hornhauttransplantation → Hornhautstammzelltransplantation

Die Hornhaut ist die transparente Struktur vor dem Auge, die die Iris und die Pupille bedeckt. Unter normalen Umständen gibt es Hornhautstammzellen, die die Hornhaut bei Bedarf erneuern und reparieren können, um die Hornhaut transparent zu halten, damit Licht eindringen kann. Wenn diese Hornhautstammzellen beschädigt werden und die Hornhaut nicht mehr aufrechterhalten können, kann dies zu Sehstörungen oder sogar zur Erblindung führen. Vor der Einführung dieser neuen Technologie von Nishida konnten Patienten mit beschädigter Hornhaut nur passiv auf eine Hornhauttransplantation warten, die ein langer und schmerzhafter Prozess gewesen wäre. Im Durchschnitt konnte nur 1 von 70 Patienten eine neue Hornhaut erhalten. Die Stammzellentechnologie hat einigen von ihnen große Hoffnung gegeben.

Hornhaut (Bildquelle: Nature News)

Aufgrund des Erfolgs der Tierversuche erteilte das japanische Gesundheitsministerium Nishida und anderen die Genehmigung, vier Hornhautreparaturoperationen durchzuführen. Es sollte beachtet werden, dass Nishida et al. transplantiert wurde nicht die Hornhaut, sondern Hornhautstammzellen. Diese Technologie ist nur für Patienten geeignet, denen Hornhautstammzellen fehlen. Die Frau, die sich vor Kurzem einer Operation unterzogen hat, leidet an einem Limbalen Stammzelldefizienz-Syndrom (LSCD), einer Erbkrankheit, bei der die Anzahl der Stammzellen in der Hornhaut abnimmt, wodurch die Hornhaut austrocknet und weiß wird, was zu verschwommenem Sehen und schließlich zur Erblindung führt.

Die Forscher kultivierten iPS-Zellen zu einer dünnen Schicht Hornhautstammzellen und transplantierten sie in die Hornhaut des Patienten. Diese Hornhautstammzellen müssen die Fähigkeit zur Selbsterneuerung besitzen, um sowohl einen ruhenden Stammzellzustand aufrechtzuerhalten als auch differenzierte Nachkommen zu produzieren, um das Gleichgewicht des Organs (Hornhaut) aufrechtzuerhalten. Ob diese klinische Studie langfristig erfolgreich sein kann, hängt auch davon ab, ob im Limbusstroma der LSCD-Patienten eine normale funktionelle Nische vorhanden ist.

Laut Nishida werden sie noch in diesem Jahr eine zweite Operation durchführen und den Eingriff innerhalb der nächsten fünf Jahre einer größeren Anzahl von Menschen zugänglich machen. Wenn diese Methode klinisch eingesetzt werden kann, könnte sie den Mangel an Hornhauttransplantationen letztendlich bis zu einem gewissen Grad lindern.

iPS-Zellen werden intensiv zur Behandlung der Parkinson-Krankheit, von Rückenmarksverletzungen, Herzerkrankungen usw. eingesetzt.

Unter induzierter pluripotenter Stammzelltechnologie versteht man die Technologie, somatische Zellen durch Neuprogrammierung in pluripotente Stammzellen umzuwandeln. Es wurde erstmals 2006 von Shinya Yamanaka von der Universität Kyoto in Japan entdeckt. iPS-Zellen ähneln embryonalen Stammzellen hinsichtlich Morphologie, Gen- und Proteinexpression, epigenetischem Modifikationsstatus, Zellvermehrungsfähigkeit, Fähigkeit zur Bildung embryoider Körper und Teratome sowie Differenzierungsfähigkeit. Yamanaka teilte sich 2012 außerdem den Nobelpreis für Medizin und Physiologie mit Sir John B. Gurdon aus dem Vereinigten Königreich.

Der Prozess der Induktion von iPS-Zellen

Shinya Yamanaka, Stammzellforscherin an der Universität Kyoto in Japan (Fotoquelle: https://hot-fashion.click/wp-content/uploads/2015/10/山中申弥.jpg)

Bei der iPS-Technologie werden weder Embryonen noch Eizellen verwendet, daher gibt es keine ethischen Probleme. Durch die Gewinnung spezifischer Stammzellen aus körpereigenen Zellen des Patienten kann die Möglichkeit einer Immunabstoßung erheblich verringert werden. Das Aufkommen der iPS-Technologie hat in den Bereichen Stammzellen, Epigenetik und Biomedizin eine starke Resonanz hervorgerufen. Sie ermöglicht ein neues Verständnis des Regulationsmechanismus der Pluripotenz und verkürzt den Zeitraum zwischen Stammzellen und klinischer Behandlung von Krankheiten weiter. Die iPS-Technologie hat ein großes Potenzial für die Zellersatztherapie, die Pathogeneseforschung, das Screening neuer Medikamente und die Behandlung klinischer Erkrankungen wie neurologischer Erkrankungen und Herz-Kreislauf-Erkrankungen.

Japan war bei der Erforschung der klinischen Anwendung von iPS-Zellen schon immer weltweit führend und die weltweit erste klinische Anwendung fand in Japan statt. Im Jahr 2014 transplantierte Masayo Takahashi, ein Stammzellenforscher am RIKEN Center for Developmental Biology, einer über 70-jährigen Frau aus iPS gewonnene retinale Pigmentepithelzellen, um die altersbedingte Makuladegeneration zu behandeln, eine Augenkrankheit, die bei älteren Menschen zur Erblindung führt.

Masayo Takahashi, Augenarzt am Center for Developmental Biology (cdb) in Kobe, Japan (Bildquelle: Nature News)

Im Jahr 2018 implantierte das Experimentalteam um Masahiko Takahashis Ehemann, den Stammzellforscher Takahashi Jun von der Universität Kyoto in Japan, erstmals aus iPS-Zellen umgewandelte neuronale Vorläuferzellen in das Gehirn von Parkinson-Patienten. Diese Zellen können den Neurotransmitter Dopamin produzieren [3]. Im Februar 2019 genehmigte das japanische Gesundheitsministerium eine Studie zur Verwendung von iPS-Zellen zur Behandlung von Rückenmarksverletzungen. Hideyuki Okano, ein Stammzellenforscher an der Keio-Universität in Tokio, wird iPS-Zellen dazu bringen, sich in neuronale Vorläuferzellen zu verwandeln und sie Patienten mit Rückenmarksverletzungen injizieren. Das Forschungsteam wird experimentelle Behandlungen an vier Personen durchführen und auf Grundlage der Ergebnisse entscheiden, ob größere klinische Studien gestartet werden sollen [4].

Hideyuki Okano, Stammzellforscher an der Keio-Universität in Tokio

Auch chinesische Wissenschaftler haben auf diesem Gebiet Maßnahmen ergriffen. Gemäß den Registrierungsinformationen der U.S. Clinical Trials Database führt China zwei klinische iPS-Studien durch: eine wird vom Nanjing Drum Tower Hospital durchgeführt, das der Nanjing University Medical School und dem First Affiliated Hospital der Nanjing Medical University angeschlossen ist. Dabei werden aus iPS gewonnene Kardiomyozyten für die intramyokardiale Transplantation während einer Koronararterien-Bypass-Operation bei Patienten mit chronischer ischämischer Kardiomyopathie verwendet [5]. Die andere Studie wird von der Beijing University of Chinese Medicine und dem ihr angeschlossenen Sun Simiao Hospital durchgeführt. Dabei werden iPS-differenzierte Kardiomyozyten für Transplantationen zur Behandlung der koronaren Herzkrankheit, der dilatativen Kardiomyopathie und der Keshan-Krankheit eingesetzt [6].

Eine groß angelegte klinische Anwendung lässt jedoch noch auf sich warten.

Obwohl bereits zahlreiche klinische Studien durchgeführt wurden, ist es unrealistisch, kurzfristig mit einer groß angelegten klinischen Anwendung von iPS-Zellen zu rechnen. Normalerweise dauert es etwa 20 Jahre, bis eine wissenschaftliche Entdeckung in die klinische und kommerzielle Anwendung überführt wird. Die Anwendung von iPS-Zellen wird in etwa der gleichen Entwicklung folgen.

Auch mehr als ein Jahrzehnt nach der Entdeckung der iPS-Zellen ist den Forschern noch immer nicht ganz klar, wie die Neuprogrammierung erfolgt. Aufgrund von Unterschieden im genetischen Hintergrund oder in der Genexpression verhalten sich iPS-Zellen von Patienten und iPS-Zellen von gesunden Kontrollpersonen während der Kultur auch sehr unterschiedlich. Wie alle Zelllinien variieren auch iPS-Zellen von Stamm zu Stamm, was strenge Kontrollen während der Experimente erforderlich macht.

Auch die Sicherheit der iPS-Zelltechnologie muss kontrolliert werden. Bevor Takahashi Masahiko und andere sich beispielsweise auf die Durchführung der zweiten Transplantation vorbereiteten, entdeckte Yamanakas Forschungsteam zwei kleine genetische Veränderungen in den iPS-Zellen und den iPS-differenzierten retinalen Pigmentepithelzellen des Patienten. Obwohl es keine Hinweise darauf gab, dass diese beiden Mutationen mit der Tumorbildung in Zusammenhang standen, brachen sie das Experiment auf Yamanakas Vorschlag hin ab [2].

Für jede iPS-Zelltherapie wird es Jahre dauern, bis die richtigen Methoden gefunden sind, um die richtigen Zelltypen in ausreichender Menge und Reinheit herzustellen. Forscher müssen hartnäckig und geduldig sein und brauchen starke Unterstützung von der Pharmaindustrie und der Regierung.

Kurz gesagt: iPS-Zellen sind keine Zauberei. Wie bei jeder neuen Technologie sind noch viel Zeit und weitere Forschungsarbeiten erforderlich, bevor sie in die klinische Anwendung gelangen und der Menschheit zugute kommen kann.

Seien Sie also vorsichtig, wenn Sie „Stammzellenbehandlung für die Krankheit xx“ hören!

Quellen:

1. Frau erhält als erste Hornhaut aus „umprogrammierten“ Stammzellen 02. SEPTEMBER 2019

https://www.nature.com/articles/d41586-019-02597-2

2.Japanerin ist erste Empfängerin von Stammzellen der nächsten Generation 12. September 2014

https://www.nature.com/news/japanese-woman-is-first-recipient-of-next-generation-stem-cells-1.15915

3. „Umprogrammierte“ Stammzellen in Patienten mit Parkinson-Krankheit implantiert 14. November 2018

https://www.nature.com/articles/d41586-018-07407-9

4.22 Februar 2019

„Umprogrammierte“ Stammzellen erstmals zur Behandlung von Rückenmarksverletzungen https://www.nature.com/articles/d41586-019-00656-2

5.https://www.clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT03759405?term=ips+cells&cntry=CN&rank=2

6.https://www.clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT03759405?term=ips+cells&cntry=CN&rank=2

Wu Lin, Ouyang Zhaohui, Cao Shuchao, Yi Delian, Sun Shaoxue und Liu Xia. (2005). Anwendung und Forschungsfortschritt der Raman-Spektroskopie. Zeitschrift für Lichtstreuung, 180-186.