Die Entdeckungen bei der Erforschung der Eigenschaften von Stammzellen haben den Ansatz für die Behandlung zahlreicher Krankheiten verändert. Heutzutage werden mehrere Arten von Stammzellen unterschieden – totipotent, pluripotent, unipotent usw. – und sie alle unterscheiden sich in ihrer Fähigkeit zur Differenzierung und Proliferation. Die Untersuchung adulter Stammzellen und induzierter pluripotenter Stammzellen ist von zunehmendem Interesse, da diese Zellen das größte Potenzial für die Wiederherstellung von durch Myokardinfarkt verursachten Gewebeschäden haben. Die Anwendung zellbasierter Therapien bei der Behandlung von Herzerkrankungen ist noch wenig erforscht, aber die jüngsten klinischen Forschungsergebnisse zeigen bereits einige vielversprechende Resultate.
Man kann Stammzellen als Strukturen definieren, die sich in funktionell aktive Zellen verwandeln können. Eine Stammzelle kann sich zu einem Hepatozyten, einem Nephrozyten, einem Kardiomyozyten usw. entwickeln. (Kin et al., 2013). Von Natur aus dienen Stammzellen als Reservematerial für die Bildung neuer Zellen, die abgestorbene oder geschädigte Zellen ersetzen.
Die wichtigste Eigenschaft jeder Stammzelle ist ihre Potenz, die durch den Grad ihrer Differenzierung und Proliferation definiert ist (Kin et al., 2013). Die Potenz ist die streng begrenzte Fähigkeit der Zelle, sich in bestimmte Zelltypen zu verwandeln. Je mehr Zelltypen aus einer Stammzelle hervorgehen können, desto größer ist ihre Potenz.
So können sich beispielsweise Fibroblasten in Endothelzellen und Adipozyten verwandeln, während mesenchymale Stammzellen Kardiomyozyten, Muskelfasern usw. bilden können. (Kin et al., 2013) Das bedeutet, dass sich jede Stammzelle in ein begrenztes Spektrum von Zellen verwandeln kann, die eine Reihe ähnlicher Eigenschaften und Funktionen aufweisen. Aufgrund dieser begrenzten Potenz werden Stammzellen in totipotente (die sich in alle Arten von Organ- und Gewebezellen verwandeln können), pluripotente (die sich in mehrere Arten von Organzellen verwandeln können) und unipotente (die sich in Zellen eines bestimmten Organs verwandeln können) unterteilt.
Totipotente Stammzellen (TSCs)
Totipotenz ist die Eigenschaft von embryonalen Stammzellen, die einen Organismus bis zum Acht-Zell-Stadium der Embryogenese bilden. Da es unmöglich ist, TSC unter natürlichen Bedingungen zu erhalten, werden sie heutzutage durch künstliche Befruchtung in vitro gezüchtet. TSCs werden vor allem in Tierversuchen und bei der Organentwicklung eingesetzt. Obwohl die erste embryonale Mausstammzelle vor über zwanzig Jahren isoliert wurde, gibt es immer noch keine ausreichenden Beweise dafür, dass ihre Implantation in einen menschlichen Körper bei der Behandlung chronischer Krankheiten wirksam sein kann (Krause, Schneider, Jaquet, & Kuck, 2010).
Pluripotente Stammzellen (PSCs)
PSCs entwickeln sich in der späten Phase der Embryogenese, wenn Stammzellen “darauf spezialisiert sind, nur eine bestimmte Familie von Zellen hervorzubringen” (Sharma, Voelker, Sharma, & Reddy, 2012). In den späteren Stadien der Embryonalentwicklung beginnt die Aufspaltung von primären Organstrukturen und Geweben. Diese elementaren Strukturen bilden dann die Grundlage für die Entwicklung aller Körperorgane und die Entwicklung von mesenchymalen, neuralen, blutbildenden und bindegewebigen PSCs.
Während der gesamten Lebensspanne durchlaufen die Zellen des menschlichen Körpers Lebenszyklen von Tod und Erneuerung. Die Wiederherstellung verlorener Zellen ist durch kambiale Elemente möglich – sich vermehrende gewebespezifische Zellpopulationen in Haut, Darm, Muskeln, rotem Knochenmark, Leber und Gehirn (Kin et al., 2013). Kürzlich haben Forscher Zellen von Erwachsenen isoliert, die in der Lage sind, sich nicht nur in gewebespezifische Richtungen zu differenzieren, sondern auch in Zellen anderer Herkunft in mehreren Organen (Kin et al., 2013).
Die Entdeckung adulter Stammzellen trägt dazu bei, die Fragen der Gewebeerneuerung aus einer anderen Perspektive zu betrachten und das Konzept der zellulären und genetischen Therapie zu verändern. Die Erforschung adulter PSCs und ihrer Auswirkungen auf Heilungsprozesse ist eine der aktuellsten Aufgaben, und die Bedeutung von Forschungsstudien in diesem Bereich wird durch die Möglichkeit unterstrichen, Stammzelltechnologien bei der Behandlung verschiedener Herzerkrankungen einzusetzen.
Mesenchymale Stammzellen (MSCs)
MSZ gelten als die wichtigsten Elemente der zellbasierten Therapie. Sie sind pluripotent und können in Knochen-, Fett-, Muskel-, Nervenzellen und andere Zellen differenziert werden. Die Hauptquelle für MSZ ist das Knochenmark, aber in letzter Zeit wurden sie auch aus subkutanem Fettgewebe und Nabelschnurblut isoliert. Der Vorteil der Verwendung von MSZ in der Behandlung ist die Möglichkeit, das genetische Material des Patienten zu implantieren und eine negative Immunreaktion und Abstoßung des Transplantats zu vermeiden (Sharma et al., 2012).
Kardiale Stammzellen (CSCs)
Aus dem Herzmuskel stammende zelluläre Elemente können in Kardiomyozyten und Gefäßendothel differenziert werden (Sharma et al., 2012). Die Transplantation solcher Zellen im Bereich des Myokardinfarkts führt zur Entwicklung neuer Zellen in der geschädigten Zone. Infolgedessen können die Organfunktionen wesentlich wiederhergestellt werden. Die Methoden zur Isolierung von CSC sind jedoch sehr komplex und gehen mit der Zerstörung von Herzmuskelgewebe einher.
Induzierte PSCs (iPSCs)
Induzierte PCS werden aus nicht-pluripotenten Zellen durch den Prozess der erzwungenen Induktion gezüchtet, der die Transkription von Genen oder Proteinen unter dem Einfluss bestimmter Induktionsfaktoren und den Transfer von genetischem Material über virale Vektoren beinhaltet (Kobayashi, Nagao, & Nakajim, 2013). Es wird davon ausgegangen, dass iPSCs mit natürlichen PSCs identisch sind. Es wird jedoch beobachtet, dass die durch virale Transfektion gezüchteten Zellen anfällig für das Auftreten onkologischer Erkrankungen sind (Kobayashi et al., 2013). Daher bemühen sich die Forscher, andere Methoden des Genübergangs zu finden, die für die Entwicklung gesunder Stammzellen erforderlich sind.
Stammzelltherapie: Akuter Myokardinfarkt (AMF)
AMF löst eine abrupte Unterbrechung der Koronardurchblutung aus. Infolgedessen kommt es zu einer irreversiblen Zerstörung von Herzmuskelzellen. Das Ausmaß des durch AMF verursachten Zelltods steht in proportionalem Verhältnis zum Durchmesser eines beeinträchtigten Blutgefäßes, in dem die Blutzirkulation zum Stillstand kommt. Heutige Behandlungsmethoden zielen nicht auf den durch AMI verursachten Gewebeverlust ab, und die Forscher sind der Ansicht, dass eine Behandlung mit Stammzellen aus dem Knochenmark die allgemeinen Behandlungsergebnisse erheblich verbessern kann – Verbesserung der Herzfunktion und Verzögerung des Fortschreitens der Erkrankung (Clifford et al., 2012).
Eine andere Forschergruppe untersuchte die AMI-Therapie mit aus iPSC gewonnenen Kardiomyozyten. Santoso und Yang (2016) stellten fest, dass die iPSC-Therapie Herausforderungen wie eine niedrige Überlebensrate der Zellen, ein geringes Maß an Zelltransplantation und “nicht anhaltende Kontraktilität” sowie Schwierigkeiten bei der Überwachung der Lebensfähigkeit der injizierten Zellen mit sich bringt (S. 1).
Zu den gängigen Techniken der Zellverabreichung gehören die intrakoronare Stammzellinjektion und die intramyokardiale Injektion. Die intrakoronare Methode umfasst die perkutane transluminale Koronarangioplastie und die Verwendung eines “Over-the-wire-Ballons mit zentralem Lumen an der gewünschten Stelle” (Sharma et al., 2012). Die intrakoronare Injektion von Zellen wird bis zu sechs Mal verabreicht, und die Chirurgen stoppen künstlich den Blutfluss, um die Zellretention zu erhöhen. Die intramyokardiale Injektion ist ein invasives Verfahren. Sie ist jedoch mit einem höheren Grad der Organtransplantation verbunden (Krause et al., 2010).
Man kann sagen, dass die Behandlung mit Stammzellen aus dem Knochenmark (einschließlich MSZ) als eine bessere Option für die Behandlung von AMI angesehen werden kann, da MSZ eine signifikante Fähigkeit zur Herzmuskelreparatur aufweisen (Sharma et al., 2012). Die von Clifford et al. (2012) durchgeführte Meta-Analyse präklinischer und klinischer Studien macht deutlich, dass sie neben einer moderaten Verbesserung der Herzfunktion mit geringeren Sicherheitsbedenken verbunden ist, obwohl sie “die Sterblichkeit in der langfristigen Nachbeobachtung nicht signifikant verringert” (S. 4).
Die jüngsten Durchbrüche in der Stammzellenforschung wirken sich positiv auf die Entwicklung wirksamer Behandlungsmethoden für verschiedene Krankheiten aus. Trotz des großen Potenzials der PCS-basierten Therapie bei der Wiederherstellung von Herzmuskelschäden ist jedoch eine weitere Untersuchung des besten Zelltyps und der besten Verabreichungstechnik erforderlich.
Referenzen
Clifford, D. M., Fisher, S. A., Brunskill, S. J., Doree, C., Mathur, A., Clarke, M. J., &… Martin-Rendon, E. (2012). Langzeiteffekte der Behandlung mit autologen Knochenmarkstammzellen bei akutem Myokardinfarkt: Factors that may influence outcomes. Plos ONE, 7(5), 1-9. Web.
Kin, T., Pelaez, D., Fortino, V., Greenberg, J., & Cheung, H. (2013). Pluripotente adulte Stammzellen: Eine potenzielle Revolution in der regenerativen Medizin und im Tissue Engineering. In D. Bhartiya & N. Lenka (Eds.), Pluripotent stem cells. Web.
Kobayashi, H., Nagao, K., & Nakajim, K. (2013). Menschliche Hoden – abgeleitete pluripotente Zellen und induzierte pluripotente Stammzellen. Pluripotent Stem Cells. Web.
Krause, K., Schneider, C., Jaquet, K., & Kuck, K. (2010). Potenzial und klinischer Nutzen von Stammzellen bei kardiovaskulären Erkrankungen. Stem Cells and Cloning: Fortschritte und Anwendungen SCCAA, 49. Web.
Santoso, M. R., & Yang, P. C. (2016). Magnetische Nanopartikel für das Targeting und die Bildgebung von Stammzellen bei Myokardinfarkt. Stem Cells International, 1-9. Web.
Sharma, R., Voelker, D., Sharma, R., & Reddy, H. (2012). Verständnis für die Anwendung der Stammzelltherapie bei kardiovaskulären Erkrankungen. Stem Cells and Cloning: Advances and Applications SCCAA, 29. Web.