In der Medizin träumt man schon lange davon, Organe aus einzelnen Zellen zu regenerieren, ohne Spenderorgane nutzen zu müssen. Dieser Traum könnte durch sogenannte Stammzellen Wirklichkeit werden. So beschäftigt sich die Stammzellforschung damit, aus einzelnen Stammzellen bestimmte Gewebe oder auch Organe zu erzeugen.
Stammzellen – Definition
Stammzellen sind undifferenzierte Zellen, die sich zu fast allen Arten von Zellen des Körpers differenzieren können.
Stammzellen – Entstehung
Stammzellen vermehren sich durch Teilung. Wie genau das geschieht, erfährst Du im Folgenden.
Die asymmetrische Teilung
Die Teilung von Stammzellen erfolgt durch Mitose und geschieht asymmetrisch. Eine asymmetrische Teilung bedeutet, dass die Zelle sich in eine Mutterzelle und eine Zelle vom spezialisierten Typ teilt. Die Mutterzelle ist eine Kopie der Stammzelle, die die Teilung durchgeführt hat. Die spezialisierte Tochterzelle hingegen wird im weiteren Verlauf ihrer Entwicklung zu einer bestimmten Körperzelle.
Der Zweck der asymmetrischen Teilung
Durch die asymmetrische Teilung der Stammzellen können spezialisierte Zellen entstehen, ohne dass der Körper dafür Stammzellen einbüßen muss. Auf diese Weise bleiben immer Stammzellen übrig, die nicht verbraucht werden und sich nicht spezialisieren. Diese Gesamtheit der Stammzellen, die erhalten bleibt, nennt man Stammzellen-Pool.
Die symmetrische Teilung
Während, die asymmetrische Teilung also für die Differenzierung der Stammzelle zu bestimmten Körperzellen wichtig ist, entstehen bei der symmetrische Teilung einer Stammzelle zwei neue Stammzellen. Die symmetrische Teilung sorgt dadurch für die Aufrechterhaltung der Stammzellmenge im Körper.
Potential der Stammzellen
Der Begriff Stammzelle ist ein Oberbegriff für Zellen, die sich in mehrere Zellarten differenzieren können. Man kann Stammzellen auch noch genauer einteilen: Maßstab hierfür ist, inwieweit sich die Zellen schon in eine Richtung differenziert haben und was dementsprechend noch aus ihnen entstehen kann.
Omnipotente Stammzellen
Die omnipotenten Stammzellen sind die Stammzellen unseres Körpers, die noch nicht auf einen Zelltypen festgelegt sind und dadurch alle Möglichkeiten zur Differenzierung haben. Diese omnipotenten Stammzellen kommen nur sehr früh in der Entwicklung vor. Nach der Befruchtung und der Verschmelzung von Spermium und Eizelle wird zunächst die Zygote gebildet. Sie ist omnipotent. Diese Zelle teilt sich dann und wird vom 12. bis zum 16. Zellstadium an als Morula bezeichnet.
'Morula' bedeutet Maulbeere. Da sich im 12. bis 16. Zellstadium die Zellen anhäufen und aneinander liegen, sieht dieses Stadium der Embryonalentwicklung aus wie eine Maulbeere.
Omnipotente Stammzellen können sich in alle Gewebezellen differenzieren. Sie haben das Potential, einen komplett neuen Organismus mit allen verschiedenen Zellarten hervorzubringen.
Pluripotente Stammzellen
Die pluripotenten Stammzellen werden auch als embryonale Stammzellen oder kurz als ES-Zellen bezeichnet. Nach dem Morula-Stadium entwickelt sich eine Blastozyste, die zwei Arten von Zellen besitzt: die Trophoblasten und die Embryoblasten. Diese Zellen sind nicht mehr dazu in der Lage, allein ständig einen kompletten Organismus hervorzubringen, können sich aber noch in alle Zellarten des Körpers differenzieren.
Die einzelnen Stadien sind in Abbildung 2b dargestellt. Der Unterschied zur Omnipotenz ist, dass sich aus pluripotenten Stammzellen kein ganzer Organismus entwickeln kann, da diese selbst schon eine spezialisierte Form darstellen.
Multipotente Stammzellen
Multipotente Stammzellen werden auch als Gewebestammzellen bezeichnet. In der dritten Entwicklungswoche entstehen drei Keimblätter, aus denen sich die verschiedenen Gewebe differenzieren. Die multipotenten Stammzellen sind in Bezug auf ihr Entwicklungsvermögen auf ihr spezielles Keimblatt und die entsprechenden Gewebearten reduziert.
Ein Beispiel für multipotente Stammzellen sind die Zellen, aus denen bei der Blutbildung (Hämatopoese) die Blutzellen hervorgehen. Aus diesen hämatopoetischen Stammzellen können sich dann beispielsweise Erythrozyten (rote Blutkörperchen) bilden.
Teilweise werden Stammzellen, die aus Nabelschnurblut entnommen werden, noch einmal von multipotenten Stammzellen differenziert. Hierbei wird die Nabelvene punktiert und dabei gewonnene Zellen können dann beispielsweise zu therapeutischen Zwecken verwendet werden. Aus Nabelschnurblut gewonnene Stammzellen können in rote und weiße Blutzellen sowie Blutplättchen differenziert werden. Sie sind also nach heutigem Stand nicht pluripotent, besitzen aber ein höheres Potential als multipotente Stammzellen.
Oligopotente Stammzellen
Die oligopotenten Stammzellen sind in ihrer Differenzierung sehr limitiert. Dabei können sie sich noch in ein paar verschiedene Zellen ihres Gewebetyps teilen, aber nicht mehr in alle.
Oligopotente Stammzellen kommen im Körper beispielsweise in Form von lymphoiden Stammzellen vor. Diese differenzieren sich zu B- und T-Lymphozyten, welche im Immunsystem arbeiten.
Unipotente Stammzellen
Als unipotente Stammzellen gelten die Zellen, die sich ausschließlich in den Typ Zelle ausdifferenzieren können, zu dem sie selbst gehören.
Ein Beispiel für eine unipotente Stammzelle wäre der Fibroblast, der ins Gewebe einwandert und zum Fibrozyt werden kann. Er ist eine wichtige Zellart des Bindegewebes.
Stammzellarten
Stammzellen können nicht nur anhand ihres Differenzierungspotenzials in Gruppen geteilt werden. Auch anhand der Entwicklungsstadien können sie kategorisiert werden.
Embryonale Stammzellen
Als embryonale Stammzellen werden die Zellen in der Embryonalphase bezeichnet. Diese reicht von der Befruchtung bis zur vierten Entwicklungswoche.
Der Unterschied zwischen der Schwangerschaftswoche (SSW) und der Entwicklungswoche (EW) des Kindes ist, dass die Schwangerschaftswoche ab der letzten Menstruation gemessen wird. Bei der Entwicklungswoche hingegen wird der Zeitpunkt der Befruchtung betrachtet. Damit gibt die EW das tatsächliche Alter des sich entwickelnden Kindes an. Die Faustregel ist: EW + 2 Wochen = SSW; Beispielsweise die 3. SSW ist also die 1. EW.
Von der Befruchtung bis zur Morula liegen omnipotente Stammzellen vor. Die Keimblätter der Gewebe entwickeln sich in der 3. EW, dabei sind die Stammzellen nun pluripotent.
Fetale Stammzellen
Die Stammzellen der fetalen Form liegen in der sogenannten Fetalphase vor. Diese schließt sich der Embryonalphase direkt nach der 4. EW an. Sie dauert bis zur Geburt. In der Fetalphase liegen pluripotente und multipotente Stammzellen vor.
Adulte Stammzellen
Wie der Name schon vermuten lässt, sind adulte Stammzellen über die Geburt hinaus auch ins Erwachsenenalter im Körper vorhanden. Dies betrifft vorwiegend multipotente, oligopotente und unipotente Stammzellen.
Stammzellforschung
Vielleicht hast Du schon einmal von der Forschung an Stammzellen und ihrem Potential, Krankheiten zu therapieren, gehört. Im Folgenden lernst Du einige Verfahren kennen.
iPS-Zellen
2012 gelang es erstmals, ausgereifte Zellen eines Erwachsenen in einen embryonalen Zustand zurückzuversetzen. Dies geschah durch sogenannte Transkriptionsfaktoren, die diese Reprogrammierung ermöglichten. Die Zellen, die dadurch gewonnen wurden, hatten pluripotente Eigenschaften und wurden als iPS Zellen bezeichnet.
Ein Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass es für die Gewinnung von pluripotenten Stammzellen keine Embryonen benötigt werden. Zudem sind die Zellen mit dem Spender kompatibel, beispielsweise für Therapien.
Die Transdifferenzierung
Bei der Stammzelltherapie wird eine Zelle in eine pluripotente Zelle umgewandelt (wie bei den iPS-Zellen). Nachdem sie diese Pluripotenz erreicht hat, kann aus ihr die benötigte Zelle, beispielsweise eine Nervenzelle gewonnen werden. Es gibt Methoden, bei denen diese Umprogrammierung ohne den Zwischenschritt der pluripotenten Zelle geht, was als Transdifferenzierung bezeichnet wird. Die Transdifferenzierung wird durch Transkriptionsfaktoren und Wachstumsfaktoren herbeigerufen.
Transkriptionsfaktoren sind Proteine, die das Ablesen (Transkription) der DNA beeinflussen.
Stammzellen kommen vereinzelt bei Krebstherapien zum Einsatz, z. B. bei Blutkrebs (Leukämie).
Die Ethik hinter der Stammzellforschung
In Deutschland gibt es strenge Gesetze für den Umgang mit Stammzellen. Diese werden vom Gesundheitsministerium und der zentralen Ethik-Kommission verhandelt. Dabei ist der Hauptaspekt für die Zustimmung und Ablehnung der Stammzellforschung die ethische Frage, wann Leben beginnt. Es gibt dazu unterschiedliche Meinungen, ob dies schon nach der Befruchtung, ab der Blastozyste oder erst in der Embryonalphase der Fall ist.
Die Stammzelltherapie
Da die Stammzellen viele Möglichkeiten der Differenzierung besitzen, wird viel am Einsatz von Stammzellen in Therapiemöglichkeiten geforscht.
Stammzelltherapie bei Leukämie
Blutkrebs, auch Leukämie, genannt, ist eine Erkrankung, bei der es zu einem unkontrollierten Wachstum der unreifen Blutkörperchen kommt. Dadurch haben Menschen, die unter Leukämie leiden, zu wenige funktionsfähige Blutkörperchen.
Blutzellen stammen aus einer gemeinsamen Stammzelle des Knochenmarks. Aus dieser bildet sich die myeloische Vorläuferzelle, die sich in die verschiedenen Blutzellen differenzieren kann.
Wenn nun eine dieser Stammzellen mutiert und beginnt, sich unkontrolliert zu teilen, werden eine Vielzahl von nicht funktionierenden Blutzellen gebildet.
Der Ablauf der Stammzelltherapie
Wenn eine Behandlung nur mit Medikamenten nicht ausreicht, kann eine Stammzelltherapie zum Einsatz kommen. Diese ist zwar sehr riskant, aber meist die letzte Überlebensmöglichkeit der Patient*innen. Zunächst werden die Blutzellen des Spenders durch Chemotherapie ausgeschaltet. Darauf folgt der Einsatz der Stammzellen eines Spenders, der genetisch nahezu identisch mit den Patient*innen sein muss. Über diese Stammzellen wird ein neues System aufgebaut, das Blutzellen produziert.
Die Risiken der Stammzelltherapie
Mögliche Risiken sind beispielsweise hier die Abstoßung der Zellen, die von der Stammzelle gebildet werden. Zudem sind Patient*innen in der Zeit, in der ihre Blutzellen vernichtet werden, sehr anfällig für Erkrankungen. Durch das geschwächte Immunsystem kann eine leichte Erkrankung zu schweren Reaktionen des geschwächten Körpers führen.
Um den passenden Spenden zu finden, gibt es spezielle Datenbanken. Organisationen bieten Testkits an, mit denen man sich selbst als Spender*in registrieren kann. Auf diese Datenbanken kann im Notfall zurückgegriffen und ein passender Spender ausgemacht werden.
Stammzellen - Das Wichtigste
- Stammzellen sind Zellen, die sich in verschiedene Zellen ausdifferenzieren können.
- In wie viele unterschiedliche Zellen sich die Stammzelle differenzieren kann, wird durch die Potenz beschrieben.
- Es gibt verschiedene Stammzellarten, die sich auf das Alter und die Entwicklung beziehen.
- Stammzellen stehen oftmals im Fokus der Forschung.
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