Stammzellen und deren klinische Verwendungsmöglichkeiten

Der Begriff „Stammzelle“ ist nicht neu. Der Biologe Dr. Ernst Haeckel (1834–1919) hat es bereits im Jahr 1868 verwendet. Im Verlauf der Zeit wurde dieser Begriff übernommen und in Bezug auf Entwicklung des Blutsystems benutzt. Die Wichtigkeit der Stammzellen wurde im Jahr 1945 in breiter Öffentlichkeit deutlich (Panch et al. 2017). Nach den Atombombenabwürfen auf Hiroshima und Nagasaki zeigten sich die biologischen Folgen der Strahlung und das Knochenmark wurde als Stammzellquelle identifiziert. Die Identifikation der Stammzellen im peripheren Blut folgte und die Katastrophe in Tschernobyl markiert den Nachweis der Stammzellen im Nabelschnurblut. Bereits im Jahr 1957 wurde die 1. Transplantation von Knochenmark bei einem an Leukämie erkrankten Patienten vorgenommen und 1968 folgte die erste erfolgreiche Knochenmarktransplantation bei einem Kind mit schwerem kombinierten Immundefekt (SCID) (Thomas et al. 1957; Bach et al. 1968). Dieser Zeitpunkt markiert ebenfalls die Entdeckung vom menschlichen Leukozytenantigensystem (kurz HLA-System, „human leukocyte antigen system“). Die Stammzelltransplantation ist heute ein wesentlicher Bestandteil der Therapie hämatologischer Erkrankungen. Die frühen Studien zu Gentherapien wurden in den 2000er-Jahren begonnen und die Genomeditierung ist seit 2015 Realität geworden (Reddy et al. 2020). Die zunehmende Bedeutung der Stammzellen in der regenerativen Medizin verdeutlicht das Potenzial der Stammzellen (Abb. 1) (Tanaka 2016).

Stammzellen sind grundsätzlich undifferenzierte Zellen mit der Fähigkeit zur Selbsterneuerung („Self-Renewal“). Stammzellen können somit in ihrem undifferenzierten Zustand eine unbegrenzte Anzahl an Zellzyklen durchlaufen und können sich in verschiedenste Zelltypen differenzieren. Wir finden Stammzellen sowohl im Embryo als auch in adulten Zellen und teilen diese nach dem Differenzierungsgrad in totipotente, pluripotente, multipotente und oligopotente Stammzellen ein (Abb. 2). Das höchste Differenzierungspotenzial besitzt das embryonale Gewebe, welches die Formation eines Embryos und extraembryonaler Strukturen erlaubt (s. Kap. „Embryologie und Teratologie“). Ein klassisches Beispiel totipotenter Stammzellen ist die Zygote und die daraus resultierende Formation der Morula.

Pluripotente Zellen haben die Fähigkeit, sich in alle Zelltypen der 3 Keimblätter zu differenzieren. Diese 3 Keimblätter (Ektoderm, Mesoderm und Endoderm) differenzieren in unterschiedliche Gewebetypen. So entsteht aus dem Ektoderm (äußeres Keimblatt) unter anderem Haut und ZNS (Zentrales Nervensystem). Das Mesoderm (mittleres Keimblatt) ist der Ursprung der Knochen, Muskeln und Nieren. Aus dem Endoderm (inneres Keimblatt) entwickelt sich der Gastrointestinal- und Respirationstrakt. Zusammenfassend ist das Differenzierungspotenzial mit jedem Schritt entlang der Hierarchie kleiner. Aus totipotenten Stammzellen können ganze Organismen entstehen und aus multipotenten Stammzellen spezielle Zelllinien, wie bei der Hämatopoese (Zakrzewski et al. 2019). Wir unterscheiden somit multiple Stammzelltypen in der Therapie. Die Fähigkeiten dieser Stammzellen sind sehr unterschiedlich und müssen der Indikation angepasst werden.

Wir können multipotente somatische Stammzellen (hämatopoetische und mesenchymale Stammzellen) aus dem Knochenmark oder der Nabelschnur gewinnen. Im Knochenmark werden diese Zellen zuerst mobilisiert und anschließend durch Apherese aus dem peripheren Blut isoliert. Die Gewinnung aus der Nabelschnur erfolgt nach der Abnabelung und es kann sowohl das Nabelschnurblut sowie das Gewebe (Nebelschnur selbst) für mögliche medizinische Anwendungen kryopräserviert werden. Humane embryonale Stammzellen können im Rahmen einer In-vitro-Fertilisation gewonnen werden. Wir können hier die innere Zellmasse der Blastozyste oder auch embryonale Stammzellen durch Parthenogenese erhalten, aber in vielen Ländern ist die Erzeugung von Embryonen zu Forschungszwecken gesetzlich untersagt. Nicht zuletzt ist die Erzeugung der induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS-Zellen) ebenfalls eine Möglichkeit, embryonale Stammzellen zu gewinnen und birgt kaum ethische oder moralische Bedenken. In diesem Vorgang werden nichtpluripotente Stammzellen künstlich einer Reprogrammierung unterzogen.

Die hämatopoetischen Stammzellen aus der Nabelschnur haben sowohl logistische wie klinische Vorteile. Die Stammzellen sind schneller verfügbar, haben bessere Tolerabilität (geringere HLA-Übereinstimmung notwendig und somit größerer Spenderpool), bessere Verträglichkeit (geringere Inzidenz akuter und chronischer Graft-versus-host-disease) und geringeres Risiko, infektiöse Erkrankungen zu übertragen (Barker et al. 2002). Obwohl die Entnahme nichtinvasiv erfolgt und hohe Akzeptanz genießt, ist der Zeitpunkt und die Qualität der Spende ein Nachteil (Wagner et al. 2013). Nach der Überprüfung von Qualität, Keimfreiheit und Gewebetyp des Nabelschnurblutes kann dieses kryopräserviert und in flüssigem Stickstoff über Jahre gelagert werden. Die Anzahl potenzieller Spender ist fast unbegrenzt groß und ist insbesondere bei Bevölkerungsgruppen mit seltenen Gewebetypen vom Vorteil. Bis heute sind weltweit weit mehr als 30.000 erfolgreiche allogene Nabelschnurbluttransplantationen erfolgt, mit zunehmendem Trend. Bei adäquater Entnahme und Einlagerung ist eine Spende für eine Transplantation beim Kleinkind ausreichend. Die Einführung von sog. „double cords“ (2 Nabelschnurblutspenden werden gleichzeitig transplantiert) führte zu einer Zunahme der Transplantationen auch bei Erwachsenen. Diese Strategie einer höheren Zelldosis, um eine ausreichende Menge an CD34+-Zellen zu erhalten, wurde durch ein besseres „engraftment“ und Wirksamkeit belohnt (Barker et al. 2005). Einen neuen Weg beschreibt das Hybridmodell. Dahinter steht das Prinzip, sowohl für den Eigenbedarf als auch für die öffentliche Bank Stammzellen einzulagern. Eltern, die sich dafür entscheiden, das Nabelschnurblut ihres Kindes aufzubewahren, haben die Möglichkeit, es auch als Spende zugänglich zu machen. Dazu wird eine HLA-Typisierung des Nabelschnurblutes durchgeführt.

Die embryonalen Stammzellen sind in der Öffentlichkeit omnipräsent. Es handelt sich um pluripotente Zellen, die sich durch ihr Potenzial zur nahezu uneingeschränkten Selbsterneuerung auszeichnen. Die ersten Versuche gehen bereits in die 1990er-Jahre zurück, aber der therapeutische Ansatz ist immer noch nicht Goldstandard (Thomson et al. 1998; Golchin et al. 2021). Embryonale Stammzellen haben einige große Vorteile, wie nahezu grenzenlosen Fähigkeit der Erhaltung und Expansion in der Zellkultur ohne wesentliche Veränderung des Karyotyps oder Verlust der Pluripotenz. Diese Fähigkeit der Differenzierung und ihre Robustheit zusammen mit der Möglichkeit des somatischen Zellkerntransfers („somatic cell nuclear transfer“, SCNT) erlauben die Herstellung jeglicher Zellen für eine Transplantation (Semb 2005). Die Nachteile sind ebenfalls groß. Es bestehen moralische und ethische Bedenken sowie ein Risiko der Pluripotenz (Volarevic et al. 2018). Die gleiche Plastizität der embryonalen Stammzellen, welche wir nutzen können, um Hunderte von Zellen zu generieren, führt zu einem erheblichen teratogenen Risiko nach einer Transplantation (Nussbaum et al. 2007). Somit wird die Verwendung der embryonalen Stammzellen nur in klinischen Studien und bei schwersten und/oder letalen Erkrankungen angeboten. Zu diesen Erkrankungen zählen schwere Herzinsuffizienz, amyotrophe Lateralsklerose (ALS), Parkinson-Krankheit, Diabetes mellitus Typ I oder muskuläre Dystrophien (Golchin et al. 2021). Neue Therapieansätze wie kombinierte Stammzelltherapie und Immunomodulation haben bereits Erfolge in Tiermodellen gezeigt (Ambrozkiewicz et al. 2022).

Induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen) erlauben die Nutzung der Möglichkeiten und Fähigkeiten von embryonalen Stammzellen ohne deren ethische und moralische Einschränkungen. iPS-Zellen sind ebenfalls pluripotente Stammzellen, aber diese sind durch künstliche Reprogrammierung von somatischen Zellen (nichtpluripotent) entstanden. Die Differenzierung der somatischen Zellen (in der Regel unidirektional) konnte mittels Manipulation der SOX2-, OCT3/4-, KLF4- und c-MYC Gene in einen pluripotenten Zustand gebracht werden (Takahashi und Yamanaka 2006). Die Geburtsstunde der iPS-Zellen wurde mit dem Nobelpreis für Medizin 2012 prämiert. iPS-Zellen eröffnen die Möglichkeit einer personalisierten Therapie. Sie werden bereits in der Pharmakologie und Onkologie zum Screening nach Medikamenten und wirksamen Therapien genutzt (Angelos und Kaufman 2015). Der Einsatz bei der Entwicklung neuer Therapien für zell- und gewebedegenerative Erkrankungen ist weit fortgeschritten (Singh et al. 2015; Chen et al. 2020; Huang et al. 2021; Volkner et al. 2021; De Kinderen et al. 2022). Zudem erwarten wir bei autologen iPS-Zellen (und deren Derivaten) eine bessere immunmedizinische Verträglichkeit der Transplantate (de Almeida et al. 2014). Wissenschaft und Politik haben die Bedeutung dieser Entdeckung erkannt und klinische Studien sind bereits vorhanden. Die Anwendung von iPS-basierter Therapeutika ist vor allem unter Studienbedingungen durchführbar, da die regulatorischen und medizinethischen Rahmenbedingungen noch nicht klar definiert sind. Zudem sind die potenziellen Komplikationen der Pluripotenz wie kanzerogene Mutationen und höhere genetische Instabilität zu beachten (Garber 2015) (Singh et al. 2016).

Hämatopoetische Stammzellen sind klassische Vertreter der multipotenten Stammzellen und bestens charakterisiert, da sie bereits seit über 50 Jahren verwendet werden. Wir finden diese Zellen hauptsächlich im Knochenmark und sie haben die Fähigkeit, in alle zellulären Bestandteile des Blutes zu differenzieren. Somit haben hämatopoetische Stammzellen die Fähigkeit, ein geschädigtes Immunsystem dauerhaft zu ersetzen. Die Transplantation hämatopoetischer Stammzellen ist eine Standardbehandlung einer Vielzahl hämatologischer Erkrankungen (Rocha et al. 2006). Dabei hat sich Nabelschnurblut, neben Knochenmark und peripherem Blut (nach Stammzellmobilisierung), als Quelle für die allogene (Fremdspende) Transplantation etabliert. Ab der 3. Schwangerschaftswoche ist der Embryo über die Nabelschnur mit der Plazenta verbunden. Die Nabelschnur besitzt verschiedene ‚Pools‘ an Stammzellen: das Nabelschnurblut mit hauptsächlich hämatopoetischen Stammzellen, die Nabelschnurblutgefäße mit endothelialen Stammzellen und die Wharton-Sulze mit mesenchymalen Stammzellen.

Der Vorteil von Stammzellen aus der Nabelschnur bzw. aus dem Nabelschnurblut, liegt im relativ jungen Alter. Obwohl sie zu den adulten Stammzellen gerechnet werden, zeigen sie im Vergleich zu diesen einen noch längeren Telomerabschnitt, welcher mit einem höheren Proliferationspotenzial korreliert (van de Ven et al. 2007). Die Vorteile sind eine höhere Konzentration an Stammzellen im Nabelschnurblut als im Blut von Erwachsenen oder auch die bessere Verträglichkeit (Beuzard et al. 1979; Zhu et al. 2021). Aktuelle Indikationen für den therapeutischen Einsatz umfassen nicht nur maligne Erkrankungen wie Leukämien, sondern auch die aplastische Anämie oder genetische Krankheiten wie z. B. Fanconi-Anämie, Thalassämie, schwere Immundefizienzen oder gewisse metabolische Krankheiten wie Hurler-Syndrom (Ballen et al. 2013). Die Therapie von Autoimmunerkrankungen wie beispielsweise schwere Formen der rheumatoiden Arthritis oder multiple Sklerose oder die Behandlung von Diabetes mellitus Typ 1 sind auf dem Vormarsch (Haller et al. 2013; Zhu et al. 2021).

Die mesenchymalen Stammzellen (zunehmend als mesenchymale Stromazellen bezeichnet) haben in den letzten 30 Jahren eine enorme Bedeutung entwickelt. Die Zellen können ohne ethische und moralische Bedenken aus Knochenmark, Fett, Synovialmembran, Endometrium, Haarfollikeln, Muttermilch, Plazenta oder Nabelschnur gewonnen werden. Mesenchymale Stammzellen sind multipotente Zellen und haben neben dem Differenzierungspotenzial eine Wirkung auf das Immunsystem (Attia und Mashal 2021). Aufgrund der Heterogenität der Zellen wurden die spezifischen Marker der einzelnen Zelltypen definiert (Dominici et al. 2006). Die Fähigkeiten der mesenchymalen Stammzellen beinhalten eine Immuntoleranz (niedrige Abstoßungsrate nach Transplantation), Homing (Fähigkeit zu Migration zum Zielorgan), parakrine Sekretion und Immunmodulation (Abb. 3) (Mueller und Kramer 2017). Aufgrund dieser Fähigkeiten sind die Indikationen für eine Therapie sehr breit. In der klassischen Zelltherapie können die mesenchymalen Stammzellen undifferenziert oder nach Differenzierung (z. B. in Richtung Kardiomyozyten, Neuronen, Hepatozyten oder Osteoblaten) transplantiert werden (Portmann-Lanz et al. 2010). Nach der Transplantation sind diese in der Lage zu migrieren und abgelegene Zielorgane (wie zum Beispiel das Gehirn) zu erreichen (Schoeberlein et al. 2011). Eine wichtige Funktion ist die Modulation der Mikroumgebung und damit der Immunantwort und Apoptose (Oppliger et al. 2017) (Mueller et al. 2017) (Mueller et al. 2016). Aus geburtshilflicher Sicht sind die ersten perinatalen Therapien zur neonatalen Behandlung der hypoxisch-ischämischen Enzephalopathie oder – deren Folge – Zerebralparese, erfolgreich getestet worden (Eggenberger et al. 2019). Eine breite Zulassung ist noch nicht erfolgt und der Einsatz sollte weiterhin nur im Rahmen von Studien erfolgen.

Exosomen haben in den letzten Jahren zunehmend Relevanz im pharmazeutischen und medizinischen Bereich gewonnen. Exosomen sind definiert als extrazelluläre Vesikel, die von den meisten Zellen produziert und freigesetzt werden (Abb. 3). Es sind abgegrenzte Partikel, die von einer Lipiddoppelschicht umgeben sind. Zu den Funktionen von Exosomen gehören der Transport und die Kommunikation zwischen der Zelle und ihrer Umgebung. Sie sind für physiologische Prozesse wie Gerinnung oder interzelluläre Signalübertragung notwendig. Die pleiotropen Effekte und die Modulation des Immunsystems nach einer Transplantation mit mesenchymalen Stammzellen sind auf die Exosomen zurückzuführen. Der Einsatz der Exosomen ermöglicht eine zellfreie Therapie und befindet sich vorwiegend im präklinischen Bereich. Die Indikationen für eine Therapie mit Exosomen werden ähnlich wie bei mesenchymalen Stammzellen sein und umfassen Bereiche der Neurologie, Pädiatrie, Kardiologie oder Orthopädie (Moghadasi et al. 2021). Zu den Vorteilen der Exosomen gehören die rasche Verfügbarkeit („off-the-shelf“), minimalinvasive Applikationsformen sowie potenziell weniger Nebenwirkungen. Aus perinatologischer Sicht ist der Einsatz bei hypoxisch-ischämischer Enzephalopathie oder bronchopulmonaler Dysplasie vorstellbar (Mueller et al. 2016; Mueller und Kramer 2017; Thomi et al. 2019a, b).