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Organzucht in Hannover: Ersatz-Herz aus der Zellenküche

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Stammzellen gelten als künftige Wunderheiler: Kaputte Körperteile könnten durch frische aus dem Labor ersetzt, schwere Krankheiten heilbar werden. Doch wie baut man Nerven, Muskeln, Organe? Ein Laborbesuch mit erstaunlichen Einblicken in die mögliche Medizin der Zukunft.

Stammzellen in Kultur: "Für den Menschen brauchen wir größere Bioreaktoren" Zur Großansicht
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Stammzellen in Kultur: "Für den Menschen brauchen wir größere Bioreaktoren"

Man sieht sie schon mit bloßem Auge. Doch erst unter dem Mikroskop enthüllen die kleinen gelblichen Punkte in der rosafarbenenen Petrischale ihren vollen Zauber.

Die kleinen Bällchen zucken. Es sind frische Herzzellen einer Maus.

Vor wenigen Tagen waren sie noch Stammzellen. Aber Ina Gruh und ihre Mitarbeiter haben sie in die Bausteine eines Herzens verwandelt. Die Forscherin hat viele solcher Petrischalen in ihrem Brutschrank. Er steht in den Laboren des Lebao - ein Akronym, das für Leibniz Research Laboratories for Biotechnology and Artificial Organs steht. Es ist ein Teil der Medizinischen Hochschule Hannover.

Um zu prüfen, wie gut die Qualität der Zellen ist, lässt Ina Gruh sie arbeiten. Sie züchtet die Zell-Bällchen zu einer Art Mini-Expander. Die werden dann in einen eigens dafür konstruierten Apparat eingespannt, der misst, mit welcher Kraft sie zucken.

Artificial organs - Organe aus der Retorte. Sie zu züchten ist das Fernziel der Forscher. Im nächsten Schritt wollen sie kaputte Organe wenigstens reparieren.

Ina Gruh hofft, irgendwann einmal mit einer Art Herzpflaster Infarktpatienten helfen zu können. Es soll aus frischen Herzzellen bestehen, die aus der Haut des Patienten gezüchtet wurden.

Wie macht man aus einer Stamm- eine Körperzelle?

Das Prinzip: Eine Körperzelle wird in ihren embryonalen Urzustand zurückversetzt, dann wird sie zu einer induzierten pluripotenten Stammzelle (iPS) reprogrammiert. Aus diesen zellulären Alleskönnern kann dann jedes beliebige Gewebe gezüchtet werden. Und zwar maßgeschneidert für einen Patienten. Der Vorteil: Solchermaßen gezüchtetes Gewebe würde vom Immunsystem des Patienten nicht - wie bei transplantierten Zellen oder Organen - als Fremdkörper behandelt werden.

Soweit die Theorie.

Aber wie macht man aus einer Stamm- eine Nervenzelle, um Parkinson-Patienten zu helfen? Wie eine Herzmuskelzelle für die Behandlung von Herzinfarkten? Und wie Bauchspeicheldrüsenzellen für Diabetiker? Die Liste ist lang, im menschlichen Körper gibt es mehr als 200 verschiedene Zelltypen.

Ulrich Martin arbeitet sich an ihr ab. Er sieht nicht aus wie das Klischeebild eines Wissenschaftlers: braungebrannt, Bürstenschnitt, burschikos - der 41-Jährige könnte ein Surflehrer sein. Doch er leitet das Lebao. Stammzellen in Gewebe zu differenzieren sei wie Kochen, sagt er. Jede Zelle hat ihr eigenes Rezept, und dieses muss man herausfinden. Einen Plan gibt es selten. "Oft ist es mehr ein Herumprobieren als eine gezielte Optimierung", sagt Martin.

Alles beginnt mit der Verschmelzung von Spermium und Ei. Eine Zygote entsteht, die allererste Zelle eines künftigen Lebewesens. Ein paar Teilungen später beginnen die Zellen schon, getrennte Wege zu gehen. Die verschiedenen Richtungen der Entwicklung sind alle im Erbgut der Zellen enthalten - wie und wo, ist allerdings noch weitgehend unbekannt.

Jede Körperzelle besitzt zwar den kompletten Bauplan, hat aber alle jene Teile des Erbguts ausgeschaltet, die für ihre Aufgabe unwichtig sind. Wozu sollte eine Nervenzelle beispielsweise Hämoglobin produzieren? Oder eine Muskelzelle sich um Verdauungsprozesse scheren?

Herauszufinden, wann was wie wo abgeschaltet wird, ist die Herausforderung der Biologie des 21. Jahrhunderts.

Nervenzellen sind einfacher als Lungenzellen

Die Köche aus Hannover aber wollen erst einmal kleinere Süppchen kochen. Klar ist: Die Zutaten sind Proteine und Hormone, sie steuern die Entwicklungsrichtung der Zellen. Doch sie zu kennen reicht nicht. Ein Koch kippt auch nicht alles auf einmal in eine Schüssel. Es kommt auf die richtige Dosierung und die richtigen Zeitpunkte an, wann man eine Zutat hinzufügt.

Interessant ist, dass sich manche Zellen leichter kochen als andere, um in Martins Bild zu bleiben. Eine Herzzelle herzustellen ist komplizierter als eine Nervenzelle. "Und Lungenzellen sind noch mal schwieriger", sagt der Forscher. Nervenzellen jedoch entstünden fast schon von selbst.

Erstaunlich - denn immerhin sind sie die Bausteine der komplexesten Struktur, die die Evolution je hervorgebracht hat: des Gehirns.

Ulrich Martin wundert das allerdings nicht. "Nervenzellen sind mit das Erste, was in der Entwicklung eines Embryos entsteht." Schließlich braucht der Embryo eine ganze Menge davon - das Gehirn des Menschen besteht Schätzungen zufolge aus 100 Milliarden bis einer Billion Zellen. Der menschliche Körper hat etwa zehn bis hundert Billionen Zellen.

Dass Lungenzellen schwieriger herzustellen sind, könnte daran liegen, dass sie sich erst sehr spät im werdenden Menschen bilden. Der Embryo schwimmt im Fruchtwasser der Gebärmutter und erhält seinen Sauerstoff über die Nabelschnur. Die Lunge braucht er erst nach der Geburt.

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Forum - Diskussion über diesen Artikel
insgesamt 4 Beiträge
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1. Der Tod beginnt mit der Geburt !
die8lacht 17.06.2009
Zitat von sysopStammzellen gelten als künftige Wunderheiler: Kaputte Körperteile könnten durch frische aus dem Labor ersetzt, schwere Krankheiten heilbar werden. Doch wie baut man Nerven, Muskeln, Organe? Ein Laborbesuch mit erstaunlichen Einblicken in die mögliche Medizin der Zukunft. http://www.spiegel.de/wissenschaft/mensch/0,1518,630172,00.html
Der Tod beginnt mit der Geburt ! Keiner ist in der Lage zu akzeptieren, das das Leben kein Wunschkonzert ist ... wir werden alle sterben, früher oder später, also was solls ?!
2. wirklich beeindruckend
brotkernmehl 17.06.2009
---Zitat von Artikel--- Körperzellen einfach in Stammzellen umprogrammieren - das gelang Forschern durch das Einschleusen ganz bestimmter Steuerungsgene. ---Zitatende--- Moralisch unbedenklich, da kein Leben für ein anderes geopfert wird, so sieht die Zukunft aus.
3. .
Carnival Creation, 17.06.2009
Zitat von die8lachtDer Tod beginnt mit der Geburt ! Keiner ist in der Lage zu akzeptieren, das das Leben kein Wunschkonzert ist ... wir werden alle sterben, früher oder später, also was solls ?!
Genau und weil Gott uns keine Flügel gegeben hat... haben wir uns eben Flugzeuge gebaut. meine Güte, daß eine Denke wie die Ihre einfach nicht ausrottbar ist.Organersatz aus eigenen Stammzellen bedeutet ein gerüttel Maß MEHR Freiheit als heute. Ich kann mir die Leber wegsaufen (was ich nicht tue) oder die Lunge zurauchen (was ich erst recht nicht tue), ich kann erst mit 80 vernünftig werden, weil alles, was ich bis dahin kaputtgemacht habe, ERSETZbar wird. Aus meinem eigenen Fleisch. Was, bitte, kann man daran schlecht finden?
4. Das werde ich...
Robert Allfeld 17.06.2009
...leider nichtmehr erleben. Bis solche Technologie allgemein zugänglich ist, vergehen noch Jahrzehnte. Dazu wurden und werden ständig von ideologischer Seite Steine in den Weg gelegt. Davon, dass einst in Zukunft mit Spott und Verachtung über den Aberglaube gelästert wird habe ich leider auch nichts. Wird eigentlich mal wieder Zeit für einen Skandal wie in Irland. Oder am besten gleich 10.
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Fotostrecke
Reprogrammierung: Aus Körper- mach Stammzelle

Stammzellen - die zellulären Multitalente
Embryonale Stammzellen (ES)
DPA
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)
MPI Münster / Jeong Beom Kim
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.

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.

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