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Durchbruch in Harvard: Stammzell-Trick lässt Mediziner hoffen

Von Cinthia Briseño

Effizienter, sicherer und schneller: US-Forscher haben eine neue Methode entwickelt, um Körperzellen in Stammzellen und dann in das gewünschte Gewebe zu verwandeln. Der Ansatz könnte bahnbrechend sein. Auch unter deutschen Stammzellforschern herrscht Aufbruchstimmung.

Kulturflasche mit Stammzellen: "Forschung ist mit einer dramatischen Geschwindigkeit" Zur Großansicht
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Kulturflasche mit Stammzellen: "Forschung ist mit einer dramatischen Geschwindigkeit"

Lange Zeit wurden Wissenschaftler für Arbeiten mit embryonalen Stammzellen an den ethischen Pranger gestellt. Doch dann sorgte eine neue Entwicklung für Aufatmen in der Gemeinde der Stammzellforscher: 2007 programmierten Forscher aus Japan und den USA erstmals menschliche Hautzellen in Stammzellen um. Experten nennen sie induzierte pluripotente Stammzellen (iPS, siehe Kasten links).

Um iPS herzustellen war es nötig, vier bestimmte Gene in die Zellen zu schleusen. Anschließend, so die Vision, können diese so gewonnenen Zellen wiederum in verschiedene Gewebe weiterentwickelt werden - und sollen dann defekte Gewerbepartien oder erkrankte Organe von Patienten mit Krankheiten wie Diabetes, Parkinson oder Herzproblemen helfen.

Schnell war von einer sauberen Alternative für embryonale Stammzellen die Rede, doch ebenso schnell stellte sich auch heraus, dass diese Technik noch unter Kinderkrankheiten litt und erhebliche Nachteile mit sich brachte. So zeigte sich, dass Viren als Vehikel zum Einschleusen der Gene in die Zellen zur Entstehung von Krebs führen könnten. Die Euphorie war gedämpft.

Heute, drei Jahre später, geben sich Stammzellforscher optimistisch: "Die Forschung ist mit einer ungewöhnlich dramatischen Geschwindigkeit weitergegangen", sagt Ulrich Martin von den Leibniz-Forschungslaboratorien für Biotechnologie und künstliche Organe (Lebao) in Hannover. "Auf dem Weg, die Zellen herzustellen, geht es nur noch um Detailverbesserungen. Allerdings müssen noch viele Aspekte wie die Sicherheit dieser Zellen geklärt werden, bis sie wirklich bei Nerven- oder Herzkrankheiten eingesetzt werden können."

Derzeit versammeln sich deutsche Wissenschaftler in Lübeck auf dem Jahreskongress der Deutschen Gesellschaft für Stammzellforschung (GSZ), um unter anderem über Risiken und Chancen der iPS-Technologie zu debattieren und deren Weiterentwicklungen vorzustellen.

Viele Wege führen zu iPS

Im Fokus der Debatten dürfte auch ein aktueller Artikel von Forscherkollegen aus den USA stehen: Im Fachmagazin "Cell Stem Cell" hat das Team um Derrick Rossi von der Harvard University in Boston eine Arbeit veröffentlicht, in der sie nach eigenen Angaben eine sicherere und effizientere Technologie zur Herstellung von iPS vorstellen.

"Es gibt inzwischen verschiedene Methoden, iPS herzustellen", sagt Kongresspräsident Jürgen Rohwedel von der Universität zu Lübeck. Wichtige Arbeiten stammen etwa vom Forscherteam um Hans Schöler vom Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin in Münster, dem es gelungen ist, die Zahl der notwendigen Reprogrammierungsgene von ursprünglich vier auf ein einziges zu reduzieren. Andere Forscherteams verwenden statt Genen direkt die Proteine, die daraus gebildet werden (proteininduzierte iPS, siehe Kasten links). Doch noch krankt dieses Verfahren bisher an seiner Ineffizienz.

Die neue Methode der Forscher aus Boston greift jetzt in einem Zwischenschritt ein: Rossi und seine Kollegen erzeugten künstliche Schnipsel aus sogenannter Messenger-RNA (siehe Kasten links). Diese Moleküle entstehen in der Zelle während der Übersetzung des Gens in das Protein. Mit Hilfe dieser modifizierten RNA-Moleküle, wie die Wissenschaftler sie nennen, konnten die Forscher ebenfalls diejenigen Erbinformationen in die Zelle schleusen, die zur Herstellung der Reprogrammierproteine notwendig sind.

Das Ganze bringt gegenüber gewöhnlichen iPS jedoch einen entscheidenden Vorteil mit sich: Die RNA-Moleküle dringen nicht in den Zellkern und beschädigen somit nicht das darinliegende Erbgut, die DNA, wie es etwa bei der Virenmethode der Fall ist. Zudem sei ihre Methode wesentlich effizienter und schneller als bisherige Verfahren, berichten die Forscher: "Die geringe Effizienz der iPS-Herstellung war bisher eine der größten Hürden für den klinischen Einsatz dieser Zellen", sagt Rossi.

Zudem konnten die Forscher mit Hilfe der modifizierten RNA-Moleküle auch das weitere Schicksal der iPS besser steuern: "Wir müssen in der Lage sein, daraus Zellen herzustellen, die klinisch auch einsetzbar sind", sagt Rossi. Das könne mit der neuen Methode jetzt gelingen. So ließen die Forscher beispielsweise aus den RNA-induzierten iPS Muskelzellen heranwachsen, indem sie zusätzlich RNA-Moleküle in die Zelle schleusten, die das Wachstum dieser Zellen kontrollieren. "Unser Ansatz könnte eines Tages eines der wichtigsten Verfahren in der stammzellbasierten regenerativen Medizin werden", sagt Rossi.

Auch der Kölner Stammzellforscher Jürgen Hescheler beschreibt die Lage in deutschen Labors derzeit als "Goldgräberstimmung". "Mit den iPS-Zellen können wir auch interessante Aussagen über die Wirkung von Medikamenten auf kranke Herzzellen machen", sagt der Vorsitzende der GSZ. Mit seinem Team hat er Kunst-Stammzellen von Patienten mit Erbkrankheiten des Herzens, etwa Herzschwäche, hergestellt. Wenn man aus kranken Hautzellen iPS gewinnt, und dann Herzzellen züchtet, bleibt der genetische Defekt bestehen. Mit diesen kranken Zellen können Forscher dann in der Kulturflasche testen, ob spezielle Medikamente anschlagen würden, oder nicht - und so individuelle Therapien für einen Patienten erstellen.

Den Stammzellforschern zufolge entwickelt sich die iPS-Technologie stetig weiter - und wird dabei vor allem immer sicherer. Über den Kongress, der noch bis Samstag dauert, sagt Rohwedel: "Wir erwarten keine Sensationsberichte, aber neue Mosaiksteine."

Mit Material von dpa

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Forum - Diskussion über diesen Artikel
insgesamt 11 Beiträge
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1. Sicherlich
pulegon 01.10.2010
Zitat von sysopEffizienter, sicherer und schneller: US-Forscher haben eine neue Methode entwickelt, um Körperzellen in Stammzellen*und dann in das gewünschte Gewebe zu verwandeln. Der Ansatz könnte bahnbrechend sein. Auch unter deutschen Stammzellforschern herrscht Aufbruchstimmung. http://www.spiegel.de/wissenschaft/mensch/0,1518,720695,00.html
Ich zitiere einfach mal den entscheidenden Satz. Langsam gehts einem auf den Zeiger wie die Stammzellenforschung abwechselnd in den Himmel gehypt und dann wieder in die Hölle verdammt wird. Wenn man forscht, gehts immer Stück für Stück vorwärts, mal klappts, mal nicht. Klar, das kann man schlecht als Schlagzeile verkaufen, wäre aber ehrlicher, weil realitätsnäher. Jetzt hat man iPS durch RNA Einschleusen geschaffen. Toll. Dann kommt jetzt die Verifizierung indem andere Gruppen die Ergebnisse reproduzieren. Dann wird man die so gewonnen Zellen weiter prüfen. Wenns dann immernoch gut läuft, dann hätte man eine Schlagzeile. Aber ja... man muss ja immer der Schnellste sein.
2. Erstmal Verbieten und eine Kommission einsetzen
zappa99 01.10.2010
In 5 Jahren dann könnte man zum Ergebnis kommen, dass es schlecht ist und deshalb nicht weiter erforscht werden darf. Das wäre die übliche deutsche Herangehensweise an so ein Thema.
3. hm
der_david, 01.10.2010
Gut zu wissen, aber meist stehen solche Artikel auf spon oder im Spiegel nur, wenn die Projekte noch mehr Geld brauchen. Jedenfalls ist meiner Meinung nach das alles unnötig, wenn man den Grund für den im Artikel angesprochenen Ethischen Pranger endlich dahin verbannt, wo er hingehört, nämlich in eine unaufgeklärte Zeit, wo technischer Fortschritt als Ketzerei abgetan wurde. Und jetzt Feuer frei auf mich.
4. Durchbruch in Harvard : Stammzellen-Trick
Montanabear 01.10.2010
Zitat von zappa99In 5 Jahren dann könnte man zum Ergebnis kommen, dass es schlecht ist und deshalb nicht weiter erforscht werden darf. Das wäre die übliche deutsche Herangehensweise an so ein Thema.
Es gibt so Vieles, was Wissenschaftler schon seit Langem tun : ein Vater-Sohn Team schafft auf einem Proteingerüst neue Organe. Erinnern Sie sich an die Maus mit einem Bein auf dem Rücken? Auch das war bahnbrechend, denn es war nicht als Freak geplant, sondern als Möglichkeit, Spenderorgane oder Körperteile zunächst bei dem Empfänger selbst "einzupflanzen", damit sie nicht vom Körper abgewiesen werden. Ich glaube nicht, dass die Wissenschaft gebremst werden kann.Es liegt einfach in der Naturder Sache, dass die Arbeit in immer neue, oft unerwartete Richtungen führt. Was mir nur Sorgen macht sind diese Erkenntnisse in den falschen Händen.
5. ...
seine_unermesslichkeit 01.10.2010
Zitat von zappa99In 5 Jahren dann könnte man zum Ergebnis kommen, dass es schlecht ist und deshalb nicht weiter erforscht werden darf. Das wäre die übliche deutsche Herangehensweise an so ein Thema.
Ich sehe das etwas optimistischer, denn in 5 Jahren sind wir auch 5 Jahre weiter von 1945 weg, dann sind auch wieder mehr Zeitzeugen des letzten Krieges und des Holocaust' gestorben. Auch die ersten 68-er haben dann das zeitliche gesegnet. Und deshalb wird dann nicht mehr in jedem deutschen Zellbiologen ein potentieller Josef Mengele gesehen. Es kann also nur besser werden für den Forschungsstandort Deutschland!
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Umprogrammiert: Hautzellen zu Blutzellen

Stammzellen - die Multitalente
Embryonale Stammzellen (ES)
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Sie gelten als die zellulären Alleskönner: Reift eine befruchtete Eizelle zu einer Blastozyste, einem kleinen Zellklumpen, heran, entsteht in deren Inneren eine Masse aus embryonalen Stammzellen. Die noch nicht differenzierten Stammzellen können sich zu jeder Zellart des menschlichen Körpers entwickeln. Voraussetzung ist, dass sie mit den richtigen Wachstumsfaktoren behandelt werden.
Induzierte pluripotente Stammzellen (iPS)
Körperzellen einfach in Stammzellen umprogrammieren - das gelang Forschern durch das Einschleusen ganz bestimmter Steuerungsgene. Aus den dabei entstandenen maßgeschneiderten Stammzellen züchteten sie erfolgreich verschiedene Körperzellen. Diese Methode ist nicht nur elegant, sondern auch ethisch unbedenklich, da dabei kein Embryo hergestellt und zerstört wird. Allerdings birgt die Methode noch Risiken, weil für das Einschleusen der Gene Viren benötigt werden. Die Gene werden vom Virus verstreut im Genom eingebaut, wichtige Gene der Zelle können dabei beschädigt werden, die Zelle kann entarten. Es besteht Krebsgefahr. Zudem bauen auch die Viren ihr Erbgut ein. Forschern gelang jedoch mittlerweile die Reprogrammierung ohne Viren und mit anschließender Entfernung der Gene.
Proteininduzierte pluripotente Stammzellen (piPS)
Zellen reprogrammieren - nur durch Zugabe von Molekülen und ohne Veränderung des Erbgutes. Dies gelang Forschern erstmals im April 2009. Damit räumten sie potentielle Risiken aus, die das Einschleusen der Reprogrammiergene barg.
Keimbahn abgeleitete pluripotente Stammzellen (gPS)
Keimbahn-Stammzellen können normalerweise nur Spermien erzeugen. Aber man kann sie auch in pluripotente Stammzellen verwandeln. Diese "germline derived pluripotent stem cells" (gPS) bieten ein großes Potential, denn ihr Erbgut ist noch relativ unbeschädigt. Forschern gelang die Verwandlung an Hodenzellen von Mäusen - nur durch ganz bestimmte Zuchtbedingungen.
Adulte Stammzellen
Nicht nur Embryonen sind eine Quelle der Zellen, aus denen sich verschiedene Arten menschlichen Gewebes entwickeln können. In etwa 20 Organen inklusive der Muskeln, der Knochen, der Haut, der Plazenta und des Nervensystems haben Forscher adulte Stammzellen aufgespürt. Sie besitzen zwar nicht die volle Wandlungsfähigkeit der embryonalen Stammzellen, bereiten aber auch keine ethischen Probleme: Einem Erwachsenen werden die adulten Stammzellen einfach entnommen und in Zellkulturen durch Zugabe entsprechender Wachstumsfaktoren so umprogrammiert, dass sie zu den gewünschten Gewebearten heranreifen.
Ethik und Recht
Die Stammzellforschung birgt ethische Konflikte. Embryonale Stammzellen werden aus Embryonen gewonnen, die entweder eigens hergestellt werden oder bei künstlichen Befruchtungen übriggeblieben sind. Dabei wird der Embryo zerstört. Die Argumentation der Befürworter: Die Embryonen würden ohnehin vernichtet. Kritiker sprechen dagegen von der Tötung ungeborenen Lebens. In Deutschland ist das Herstellen menschlicher Embryonen zur Gewinnung von Stammzellen verboten. In Ausnahmefällen erlaubt das Gesetz aber den Import von Stammzellen, die vor dem 1. Mai 2007 hergestellt wurden. In Großbritannien und Südkorea ist das therapeutische Klonen ausdrücklich erlaubt, ebenso in den USA.
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Gentechnik: Verwandelte Zellen

Chronik der Stammzellforschung
1998 - Embryonale Stammzellen
Die internationale Stammzellforschung hat sich seit 1998 extrem rasch entwickelt. Der US-Forscher James Thomson gewann damals weltweit erstmals embryonale Stammzellen aus übriggebliebenen Embryonen von Fruchtbarkeitskliniken. Sie galten sofort als Hoffnungsträger, um Ersatzgewebe für Patienten mit Diabetes, Parkinson oder anderen Erkrankungen zu schaffen. Die Technik ist aber ethisch umstritten, da dafür Embryonen zerstört werden müssen. In Deutschland ist sie verboten. Seitdem suchen Forscher nach ethisch unbedenklichen Wegen.
2006 - Induzierte pluripotente Stammzellen (iPS)
Im August 2006 präsentieren die Japaner Kazutoshi Takahashi und Shinya Yamanaka eine erste Lösung. Sie versetzen Schwanzzellen von Mäusen mit Hilfe von vier Kontrollgenen in eine Art embryonalen Zustand zurück. Das Produkt nennen sie induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen). Der Nachteil: Die eingesetzten Gene können das Krebsrisiko bei einem späteren medizinischen Einsatz erhöhen.
2007 - Menschliche iPS-Zellen
Im Jahr 2007 gibt es entsprechende Erfolge mit menschlichen Hautzellen. Nach und nach können die Forscher auf ein Kontrollgen nach dem anderen verzichten, um die iPS-Zellen herzustellen.
Februar 2009 - Nur noch ein Reprogrammier-Gen
Im Februar 2009 präsentiert der Münsteraner Professor Hans Schöler iPS-Zellen von Mäusen, die er nur mit Hilfe eines Kontrollgens aus Nervenstammzellen gewonnen hatte.
März 2009 - Reprogrammier-Gene entfernt
Anfang März 2009 stellen zwei Forscherteams schließlich iPS-Zellen vor, die keinerlei Kontrollgene mehr im Erbgut enthalten. Sie hatten die Kontrollgene in das Erbgut von menschlichen Hautzellen eingefügt und nach der Arbeit wieder aus dem Erbgut herausgeschnitten.
März 2009 - Reprogrammier-Gene nicht im Erbgut
Ende März 2009 veröffentlicht der US-Forscher James Thomson eine Arbeit, bei der er die Kontrollgene nicht einmal mehr ins Erbgut der Zellen einschleusen muss. Er gab sie nur in einem Ring (Plasmid) in die Zelle und zog sie später wieder heraus.
April 2009 - Reprogrammierung von Mauszellen mit Proteinen
Ende April 2009 kommt ein US-amerikanisches Forscherteam um Sheng Ding mit Beteiligung von Hans Schöler ganz ohne Gene aus und nutzt nur noch Proteine, um die Hautzellen von Mäusen zu reprogrammieren. Damit ist das zusätzliche Krebsrisiko ausgeschlossen, das beim Einsatz von eingeschleusten Genen generell besteht.
Mai 2009 - Reprogrammierung menschlicher Zellen mit Proteinen
Einem südkoreanisch-US-amerikanischem Team um Robert Lanza gelingt die Reprogrammierung menschlicher Hautzellen nur durch Zugabe von Proteinen.
Oktober 2010 - Reprogrammierung menschlicher Zellen mit RNA-Schnipseln
Bostoner Forscher um Derrick Rossi probieren eine weitere Methode, um das Einschleusen von Fremd-DNA zu vermeiden: Das Team erzeugte künstliche Schnipsel aus sogenannter Messenger-RNA. Diese Moleküle entstehen in der Zelle während der Übersetzung des Gens in das Protein. Mit Hilfe dieser modifizierten RNA-Moleküle werden diejenigen Erbinformationen in die Zelle geschleust, die zur Herstellung der Reprogrammierproteine notwendig sind. Die RNA-Moleküle dringen nicht in den Zellkern und beschädigen somit nicht das darinliegende Erbgut, wie es etwa bei der Virenmethode der Fall ist. Zudem ist die Methide wesentlich effizienter und schneller als bisherige Verfahren zur Herstellung von iPS.
Januar 2010 - Direkte Umwandlung von Körperzellen
Warum den Umweg über Stammzellen gehen? Einem Forscherteam um Marius Wernig von der Stanford University School of Medicine gelang es, Hautzellen von Mäusen direkt in einen anderen Zelltyp zu verwandeln. Die Forscher schleusten drei Gene in die Zellen und verwandelten die Hautzellen in weniger als einer Woche in voll funktionstüchtige Nervenzellen.
Januar 2011 - Direkte Umwandlung ohne Umweg über Stammzellen
Einen Schritt weiter gehen Forscher vom Scipps Research Institute im kalifornischen La Jolla: Sie nehmen quasi eine Abkürzung. Anstatt die Körperzellen erst in pluripotente Stammzellen umzuprogrammieren, wandelten sie Hautzellen direkt in Herzzellen um. Das Verfahren könnte die Herstellung von Körper-Ersatzteilen extrem beschleunigen.
Februar 2011 - Forscher entdecken gefährliche Mutationen
Zwei große Forscherteams haben sich an die Arbeit gemacht und das Erbgut verschiedener iPS-Zelllinien untersucht. Dabei haben sie festgestellt, dass es bei der Herstellung von iPS-Zellen zu genetischen Veränderungen kommen kann, die sogar das Risiko für Krebs erhöhen könnten. Das wirft Zweifel an der Zuverlässigkeit und Praxistauglichkeit der neuen Technik auf, die als vielversprechend für die Zucht von körpereigenen Geweben für Transplantationen gilt. Die Forscher fordern daher jetzt die genaue genetische Untersuchung der vielseitigen Zellen, bevor erste Studien an Patienten beginnen.
Das Erbgut
Genom
Das Genom bezeichnet das gesamte Erbgut eines Organismus. Außer bei einigen Viren besteht es immer aus DNA (Desoxyribonukleinsäure). Das Genom beinhaltet den Bauplan für die Produktion sämtlicher Proteine (Eiweißmoleküle), die ein Organismus zum Leben benötigt. Ein Gen ist ein Sequenzabschnitt auf dem Genom und beinhaltet die Erbinformation für ein Protein. Die einzelnen Bausteine der DNA sind vier verschiedene Basen: A, C, T und G.
Messenger-RNA (mRNA)
Die mRNA ist eine Art Genabschrift oder Blaupause der DNA. Nur die mRNA kann von den Proteinfabriken der Zellen, den sogenannten Ribosomen gelesen werden. Sie gibt ihnen vor, in welcher Reihenfolge Aminosäuren - die Bausteine von Proteinen - für das jeweilige Protein zu verknüpfen sind.
Codon
Ein Codon ist eine Folge von drei Bausteinen (Nukleotiden oder Basen) der DNA und analog auch der mRNA. Ein Codon steht für eine bestimmte Aminosäure oder als Stoppsignal, welches das Ende einer Bauanweisung für ein Protein kennzeichnet.
Genetischer Code
Der genetische Code ist die Zuordnung der Basen-Dreiergruppen und der Aminosäuren. Da vier verschiedene Basen zur Auswahl stehen, umfasst der genetische Code insgesamt 64 Codons. Für die meisten Aminosäuren gibt es daher mehr als ein Codon. So stehen beispielsweise die Codons CAG und CAA für die gleiche Aminosäure, die Glutaminsäure.
Transfer-RNA (tRNA)
Die tRNAs übernehmen eine Adapterfunktion beim Bau der Proteine: Jede tRNA hat auf der einen Seite jeweils ein sogenanntes Anticodon, das passend zum Codon auf der mRNA ist. Auf der anderen Seite ist sie mit der zugehörigen Aminosäure beladen. Auf diese Weise wird der genetische Code auf der mRNA abgelesen und in die entsprechende Aminosäurekette zum Protein verwandelt. Dieser Prozess geschieht in den Ribosomen.


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