Stammzellen aus Klonen? Kalter Kaffee! Die n\u00e4chste Revolution rollt: Sie hei\u00dft Transdifferenzierung und schafft Organe direkt aus umprogrammierter Haut. Ohne Embryo, ohne alles – fast.<\/p>\n
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Alle paar Jahre erleben wir eine Revolution, und da stehen wir jetzt wieder.\u201c Wenn der Bonner Stammzellforscher Oliver Br\u00fcstle sich so \u00e4u\u00dfert, dann ist das nicht einfach abgehobener Zweckoptimismus von einem, der erbittert um seine Stammzellpatente ringt und an den Fortschritten der Biomedizin verdienen m\u00f6chte. Es ist eine klare Ansage von einem der f\u00fchrenden akademischen K\u00f6pfe auf diesem Gebiet. Und sie bezieht sich keineswegs auf die j\u00fcngsten Klonfortschritte der amerikanischen Gruppe um Shokhrat Mitalipov. Das Klonen mag aus ethischen und wissenschaftspolitischen Gr\u00fcnden derzeit das gro\u00dfe Thema sein. Doch Br\u00fcstle bleibt, wie das Gros der Stammzellforscher weltweit, \u00e4u\u00dferst skeptisch, was die klinische Bedeutung und damit die Erfolgsaussichten einer Klonmedizin angeht.<\/p>\n
Ganz anders sieht das mit der biomedizinischen Revolution aus, \u00fcber die Br\u00fcstle viel lieber, ja geradezu enthusiastisch, spricht: die Transdifferenzierung, oder, wie er es nennt, die direkte Konversion. Was das bedeutet? Aus einer Hautzelle direkt eine Hirnzelle herzustellen, ohne den Umweg \u00fcber die Stammzelle. \u201eDas ist der n\u00e4chste gro\u00dfe Schritt\u201c, sagt Br\u00fcstle. Und um sich das selbst zu beweisen, hat er unl\u00e4ngst gemeinsam mit seinen Kollegen Julia Ladewig und Philipp Koch vom \u201eLife &- Brain Center\u201c der Universit\u00e4t Bonn alle wesentlichen Fakten in einem \u00dcbersichtsbeitrag f\u00fcr \u201eNature Reviews Molecular Cell Biology\u201c (doi: 10.1038\/nrm3543) zusammengetragen, um am Ende festzustellen: \u201eDie direkte Umwandlung er\u00f6ffnet v\u00f6llig neue Wege f\u00fcr die Erforschung von Zellen als Krankheitsmodelle und f\u00fcr die regenerative Medizin.\u201c<\/p>\n
Tats\u00e4chlich scheint, w\u00e4hrend alle noch \u00fcber das Klonen diskutieren und auf die ersten therapeutischen Versuche mit den zu Recht mit dem Nobelpreis ausgezeichneten \u201einduzierten Stammzellen\u201c (iPS) des Japaners Shinya Yamanaka warten, ein weiterer Umbruch in Gang gekommen zu sein. W\u00e4hrend \u00fcberall \u201egeipst\u201c wird, wie Br\u00fcstle sagt, um den Aufstieg der induzierten Stammzellen zum biomedizinischen Hoffnungstr\u00e4ger Nummer eins zu beschreiben, wird auch schon an vielen Stellen systematisch an der Transdifferenzierung von Zellen gearbeitet. Die iPSe sind das Vorbild. Sie sind ein Ph\u00e4nomen \u00e4hnlich wie Google es im Internet vor vielen Jahren war: Pl\u00f6tzlich googelten alle.<\/p>\n
Erst sechs Jahre sind seit der ersten Produktion menschlicher induzierter Stammzellen verstrichen. Ihr kometenhafter Erfolg hat sowohl technische wie ethische Gr\u00fcnde. Induzierte Stammzellen werden durch Reprogrammierung des Erbguts von schlichten K\u00f6rperzellen, meistens Hautzellen, erzeugt. Die Hautzelle wird dabei extrem verj\u00fcngt, sie wird in einen quasi embryonalen Zustand versetzt. Man dr\u00fcckt gewisserma\u00dfen die epigenetische Reset-Taste – aus einer reifen, v\u00f6llig ausdifferenzierten Hautzelle wird wieder eine Embryonalzelle, aus der anschlie\u00dfend alles M\u00f6gliche werden kann. Die Epigenetik beschreibt also einen magischen Schaltplan der Gene in den Zellen. Wei\u00df man, welche biochemischen Ver\u00e4nderungen des Erbguts dazu n\u00f6tig sind, Gene aus- und anzuschalten, kann man die Aktivit\u00e4t ganzer Gen-Netzwerke und damit das Schicksal der Zellen selbst beeinflussen. Und dazu geh\u00f6ren eben auch jene Gene, die die Entwicklung vom Embryo zum ausgewachsenen Organismus steuern. Der epigenetische Schaltplan k\u00fcnstlich induzierter Stammzellen ist dabei dem von nat\u00fcrlichen Embryonalzellen erstaunlich \u00e4hnlich. Und auch im Hinblick auf ihre nahezu beliebige Vervielf\u00e4ltigung in der Petrischale gleichen sie sich. Sie sind auch genauso plastisch: Aus ihnen kann durch Zusatz entsprechender Wachstumsfaktoren jede andere Zelle – und somit auch jedwedes Ersatzgewebe oder Ersatzorgan – entstehen. Zumindest theoretisch.<\/p>\n
Tats\u00e4chlich funktioniert das alles schon im Labor in kleinen Mengen und mit einfachsten Mitteln: Schon f\u00fcr die Reprogrammierung einer Hautzelle zur Stammzelle reicht es, genetisch ganz wenige – mitunter nur zwei – entscheidende Transkriptionsfaktoren zu aktivieren, die dann buchst\u00e4blich die Programmierung \u00e4ndern und eine Kaskade von Genaktivierungen ausl\u00f6sen, an deren Ende die komplette Verj\u00fcngung steht. Das Beste daran: Programmiert man diese Stammzellen anschlie\u00dfend in der Petrischale neu, so dass daraus etwa eine Herzmuskelzelle oder Hirnzelle entsteht, ist sie mit dem Gewebe des Patienten immunologisch vollkommen kompatibel. Sie wird nicht abgesto\u00dfen, weil schon die Hautzelle, mit der alles anf\u00e4ngt, vom Patienten selbst stammt. Und nicht minder wichtig: Mit der Erfindung der iPS wurden die biopolitischen Debatten mit einem Schlag entsch\u00e4rft. Es werden weder Eizellen ben\u00f6tigt f\u00fcr die Reprogrammierung wie etwa beim Klonen, noch entsteht ein Embryo in der Stammzellproduktion.<\/p>\n
Allerdings hat die Verj\u00fcngung in den embryonalen Zustand und damit die Wiederherstellung der Pluripotenz auch Nachteile: Weil man den gesamten Entwicklungspfad in mehreren Schritten zur\u00fcck bis in den Embryonalzustand gehen und die kostbaren Stammzellen anschlie\u00dfend vermehren sowie f\u00fcr die Umwandlung ins gew\u00fcnschte K\u00f6rpergewebe neu programmieren muss, bleiben potentielle epigenetische Unsicherheitsfaktoren. Sind die Zellen wie gew\u00fcnscht vollst\u00e4ndig reprogrammiert, ohne Artefakte? Die Qualit\u00e4tssicherung ist in der Tat eine gewaltige Herausforderung. Teratome – unkontrollierte Wucherungen von Zellen – sind direkt mit der Pluripotenz verkn\u00fcpft. Vor allem aber kostet die Erzeugung der Zielzellen viel Zeit: Einige Monate in der Regel. Und hier k\u00f6nnte einer der Schl\u00fcssel f\u00fcr den Durchbruch der Transdifferenzierung liegen.<\/p>\n
Vor drei Jahren hat der deutschst\u00e4mmige Stammzellforscher Marius Wernig von der Stanford-Universit\u00e4t zusammen mit Thomas Vierbuchen an Hautzellen der Maus – ein Jahr sp\u00e4ter auch an solchen von Menschen – gezeigt, dass die Reprogrammierung abgek\u00fcrzt werden kann. Das Pluripotenz-Stadium kann bei der Herstellung von Hirnzellen komplett ausgelassen werden. Diese direkte Umprogrammierung von Hautzellen funktionierte in Wernigs Labor anfangs mit neunzehn Faktoren, am Ende landete man bei nur drei Genschaltern, die es zur Transdifferenzierung braucht. Und das Ganze gelingt in nur wenigen Tagen. Zum ersten Mal wurde damals eindeutig gezeigt, dass man auch \u00fcber lange entwicklungsbiologische Distanzen umprogrammieren konnte, dass also aus der Haut v\u00f6llig andere Zellen der beiden anderen Keimbl\u00e4tter herstellbar sind. Man muss nur an den richtigen Stellschrauben in der Zelle drehen. Schon in den achtziger Jahren hat man umprogrammiert, beispielsweise 1987 Hautfibroblasten mit Hilfe des Myoblasten-Determinierungsfaktors MyoD zu Muskelzellen. Das waren allerdings beides Zelltypen aus dem Mesoderm. \u00c4hnlich verh\u00e4lt es sich mit Zellen aus dem \u00e4u\u00dferen Keimblatt, dem Ektoderm: Hirnzellen unterschiedlichen Typs, beispielsweise Astrozyten, sind schon vielfach direkt in funktionsf\u00e4hige Nervenzellen umgewandelt worden. Die Gruppe um Magdalena Goetz vom Helmholtz-Zentrum M\u00fcnchen hat mit der Umprogrammierung von Zellen im Gehirn inzwischen einige Erfahrung gesammelt. Genauso wie die unterschiedlichsten Nervenzellen hat man auch Leberzellen oder Inselzellen aus der Bauchspeicheldr\u00fcse hergestellt.<\/p>\n
Solche Umprogrammierungen sind inzwischen so leicht und bereits mit so wenigen Faktoren m\u00f6glich, dass man schon den n\u00e4chsten Schritt geht. Doug Melton von der Harvard-Universit\u00e4t hatte das im Jahr 2008 mit den Zellen der Bauchspeicheldr\u00fcse vorgef\u00fchrt: Aus einem anfangs un\u00fcberschaubaren Mix von mehr als tausend Transkriptionsfaktoren hat man in Harvard drei identifiziert, die im Tierversuch jede f\u00fcnfte gew\u00f6hnliche exokrine Zelle zu einer hochspezialisierten Inselzelle umwandelte, die auch medizinisch relevante Mengen an Insulin produzierte – eine Reprogrammierung, die nicht in der Petrischale, sondern durch direkte Umwandlung in der lebenden Bauchspeicheldr\u00fcse erfolgte. Genauso wurden inzwischen aus den Fibroblasten im Herzen durch Zugabe von lediglich drei Transkriptionsfaktoren funktionierende Herzmuskelzellen erzeugt – auch dies im lebenden, schlagenden Herzen selbst.<\/p>\n
Man spart sich also auch den Umweg \u00fcber die Z\u00fcchtung in der Petrischale. Die Leistungsverbesserung in den Experimenten ist im lebenden Organ zwar noch gering, das liegt aber einfach daran, dass man es noch nicht schafft, mengenm\u00e4\u00dfig genug Fibroblasten ferngesteuert umzuwandeln. Ein Kardinalproblem der gesamten Stammzellforschung: in kurzer Zeit m\u00f6glichst viele Zielzellen in gro\u00dfer Reinheit zu gewinnen. \u201eWir m\u00f6chten, wenn es in die Klinik geht, die Ersatzzellen in der akuten Phase zur Verf\u00fcgung haben, beispielsweise direkt nach einer Querschnittl\u00e4hmung oder nach einem Infarkt\u201c, sagt Br\u00fcstle. In seinem Labor hat man inzwischen die direkte Konversion von Hautzellen zu funktionst\u00fcchtigen Hirnzellen, sogenannten induzierten Neuronen (iN), in weniger als zwei Wochen erzielt. Und auch das Mengenproblem scheint auf einem vielversprechenden Weg zu sein. Durch geschickte Kombination von zwei Transkriptionsfaktoren und einigen kleinen Molek\u00fclen haben Br\u00fcstle und seine Kollegen die Effizienz der Umwandlung auf 200 Prozent gesteigert. Das bedeutet, aus jeweils einer Hautzelle wurden zwei Nervenzellen erzeugt. Denn ein Dilemma besteht mit der Transdifferenzierung grunds\u00e4tzlich: Ist die Umprogrammierung erst einmal abgeschlossen und sind die gew\u00fcnschten hochspezialisierten Hirnzellen erzeugt, teilen sich diese prinzipiell nicht mehr. Das gilt allerdings nicht f\u00fcr Vorl\u00e4uferzellen, eine Art Zwischenstadium zwischen Stammzelle und spezialisierter K\u00f6rperzelle. Sie teilen sich und sind vermehrbar. Mit den vier Transkriptionsfaktoren Sox2, KLF4, Myc und BRN4 sind vor einem Jahr Hautzellen zu Nerven-Vorl\u00e4uferzellen umgewandelt worden. Interessanterweise sind die ersten drei genannten Transkriptionsfaktoren zusammen mit Oct4 genau jene vier Faktoren, mit denen Yamanaka aus Hautzellen seine induzierten pluripotenten Stammzellen erzeugt. Ein einziger Faktor macht also den Unterschied.<\/p>\n
Tats\u00e4chlich hat es inzwischen eine andere Gruppe geschafft, aus Hautfibroblasten mit einem einzigen Transkriptionsfaktor, Sox2, voll teilungsf\u00e4hige Nerven-Vorl\u00e4uferzellen zu gewinnen, diese zu vermehren, und im anschlie\u00dfenden k\u00fcnstlichen Reifungsprozess in der Petrischale daraus verschiedene spezialisierte Hirnzellen zu entwickeln. Die Forscher versuchen, regelrechte regionale Landkarten f\u00fcr die Umprogrammierungen im K\u00f6rper zu erstellen. Soll eine Dopamin produzierende Hirnzelle im Mittelhirn erzeugt werden, braucht es einen anderen Mix an Molek\u00fclen als zur Umwandlung der Bindegewebszellen in Neurone, welche die Motorik steuern.<\/p>\n
Die vielen, faszinierend einfachen Transdifferenzierungen, die schon experimentell belegt sind, zeigen eines ganz klar: In der nat\u00fcrlichen Entwicklung mag es eine Art Hierarchie geben von der Eizelle hinab zu jeder der gut zweihundert unterschiedlichen Zelltypen im K\u00f6rper. In der Petrischale gilt das nicht unbedingt. Der britische Entwicklungsbiologe Conrad Hal Waddington hat die nat\u00fcrliche Reifung im Zuge der Embryonalentwicklung mit dem Bild einer Murmel illustriert, die eine Landschaft hinunterrollt und in unterschiedliche Entwicklungst\u00e4ler einm\u00fcndet. Jede Abzweigung auf diesem Weg der zunehmenden epigenetischen Programmierung entscheidet \u00fcber das endg\u00fcltige Schicksal der Zelle. Br\u00fcstle und seine Bonner Kollegen stellen dieses Modell nach den Laborerfolgen nun grunds\u00e4tzlich in Frage. Pluripotenz ist f\u00fcr sie kein h\u00f6heres Entwicklungsstadium mehr, vielmehr ist sie nur eines unter gleichen – Primus inter Pares. Statt einer abfallenden epigenetischen Landschaft stellt sich Br\u00fcstle eine flache, epigenetische Drehscheibe vor: Die unterschiedlichen Entwicklungs- und Differenzierungsstadien, inklusive der embryonalen Pluripotenz, existieren nebeneinander in den Vertiefungen, und je nachdem wie man die Scheibe mittels \u00e4u\u00dferer Faktoren kippt, wird das Genomprogramm umgestellt und die Murmel rollt jeweils in die gew\u00fcnschte andere Mulde. Jede Zelle ist also prinzipiell so gut wie in jede andere umwandelbar.<\/p>\n
So weit das neue Bild. Wie genau die programmierbare Drehscheibe allerdings die Verh\u00e4ltnisse in den Zellen tats\u00e4chlich widerspiegelt, ist noch unklar. Viele Details der molekularen Ver\u00e4nderungen, die mit dem Prozess der Umprogrammierung einhergehen, sind noch unbekannt. Immer wieder werden die Forscher von neuen Beobachtungen und Erfindungen \u00fcberrascht. Dazu geh\u00f6rt auch, dass die Transdifferenzierung sogar ohne Transkriptionsfaktoren und nur mit kleinen miRNA-Molek\u00fclen gelingen kann. Von diesen winzigen Nukleotidschnipseln wei\u00df man, dass sie die Aktivit\u00e4t bestimmter Gene gezielt unterbinden. Mit sechs solcher miRNA hat man in der Petrischale und in den Organen von Versuchstieren Bindegewebszellen zu Herzmuskelzellen umgewidmet. Welche Gen-Netzwerke dabei beeinflusst werden, ist bisher freilich in keinem Fall l\u00fcckenlos gekl\u00e4rt. Zudem bleibt noch unklar, ob nach der Umwandlung eine Art epigenetisches Ged\u00e4chtnis der Ausgangszellen zur\u00fcckbleibt und m\u00f6glicherweise die Funktion der neuen Zellen st\u00f6rt.<\/p>\n
Darin unterscheiden sie sich allerdings auch nicht von Yamanakas induzierten Stammzellen. \u201eBisher haben wir jedenfalls keinen Grund zu der Annahme, dass die Zellen nach der direkten Konversion schlechter sind als induzierte Stammzellen\u201c, sagt Br\u00fcstle. Bevor es in die klinische Anwendung geht und Patienten mit einem Cocktail von Transkriptionsfaktoren oder mit ihren eigenen umprogrammierten Hautzellen behandelt werden, um Diabetes, Alzheimer oder Parkinson zu behandeln, werden sich die umprogrammierten Zellen vermutlich erst jahrelang in Zellfabriken bew\u00e4hren m\u00fcssen: Als Kulturen f\u00fcr Wirkstoff- und Toxizit\u00e4tstests und als genetische Krankheitsmodelle, die im Zellverband die gleichen Fehlfunktionen aufweisen wie die bekannten Krankheiten beim Menschen – sich aber entsprechend leichter in der Petrischale erforschen lassen. Br\u00fcstle entwickelt zur Zeit eine solche automatisierte Zellfabrik in Bonn.<\/p>\n