Einleitung
Die Stammzellenforschung im Gehirn hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht und eröffnet vielversprechende Perspektiven für die Behandlung verschiedener neurologischer Erkrankungen. Von der Entdeckung neuer Arten von neuralen Stammzellen bis hin zur Entwicklung innovativer Therapieansätze bietet diese Forschung Hoffnung für Millionen von Menschen, die von Schlaganfall, Parkinson und anderen neurodegenerativen Erkrankungen betroffen sind.
Die Entdeckung peripherer neuraler Stammzellen (pNSCs)
Jahrzehntelang ging die Wissenschaft davon aus, dass neurale Stammzellen (NSCs) ausschließlich im Gehirn und Rückenmark vorkommen. Kürzlich wurde jedoch ein neuer Typ neuraler Stammzellen außerhalb des zentralen Nervensystems (ZNS) entdeckt, die als periphere neurale Stammzellen (pNSCs) bezeichnet werden. Diese Entdeckung stellt das lange Zeit vertretene Dogma in Frage, dass neurale Stammzellen außerhalb des ZNS nicht existieren, und eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung von Therapien neurologischer Erkrankungen.
Die Rolle der STAP-Methode
Die Entdeckung der pNSCs erfolgte im Zusammenhang mit Versuchen, die sogenannte STAP-Methode ('stimulus-triggered acquisition of pluripotency') zu wiederholen. Diese Methode, die 2014 für großes Aufsehen sorgte, schien einen einfachen Weg zur Gewinnung pluripotenter Stammzellen zu eröffnen. Obwohl die Versuche, die STAP-Ergebnisse zu reproduzieren, letztendlich scheiterten, führte sie zur zufälligen Entdeckung einer seltenen Zellpopulation außerhalb des zentralen Nervensystems, die Eigenschaften von neuralen Stammzellen aufweist.
Eigenschaften und Potenzial von pNSCs
pNSCs teilen wichtige molekulare und funktionelle Merkmale mit den NSCs des Gehirns. Sie weisen die gleiche Zellmorphologie, Selbsterneuerungs- und Differenzierungskapazität auf. Darüber hinaus exprimieren sie mehrere NSC-spezifische Marker und weisen genomweite transkriptionelle und epigenetische Profile auf, die mit denen von NSCs im Gehirn übereinstimmen.
Die Entdeckung der pNSCs eröffnet nicht nur neue Einblicke in die Entwicklung des Nervensystems von Säugetieren, sondern auch neue Möglichkeiten für die regenerative Medizin. Da sie in der Petrischale in beträchtlichen Mengen vermehrt werden können, könnten pNSCs einen neuen Weg für die neurale Reparatur und Regeneration eröffnen, der viele der Probleme umgeht, die mit der Gewinnung von Stammzellen aus dem zentralen Nervensystem verbunden sind.
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Stammzelltransplantation zur Behandlung von Schlaganfall
Der Schlaganfall ist eine der häufigsten Ursachen für Behinderungen und Todesfälle weltweit. Derzeit gibt es keine Behandlung, um die durch einen Schlaganfall verursachten Schäden im Gehirn zu reparieren. Neuronale Stammzellen könnten jedoch das Potenzial dazu haben.
Studien zur Stammzelltransplantation bei Schlaganfall
In einer Studie wurden menschliche neuronale Stammzellen in Mäuse transplantiert, die zuvor einen permanenten Schlaganfall erlitten hatten. Die Ergebnisse zeigten, dass die Stammzelltransplantation die Neubildung von Blutgefäßen, die Reduktion von Entzündungsprozessen sowie eine verbesserte Integrität der Blut-Hirn-Schranke förderte. Darüber hinaus machte die Stammzelltransplantation bei den Mäusen auch die motorischen Einschränkungen rückgängig, die der Schlaganfall verursacht hatte.
Eine weitere Studie zeigte, dass die Transplantation von Stammzellen in die Gehirne von Patienten 6 Monate bis 5 Jahre nach ihrem Schlaganfall bei den meisten Patienten eine klinisch bedeutsame Verbesserung bewirkte.
Herausforderungen und zukünftige Forschung
Trotz der vielversprechenden Ergebnisse gibt es noch einige Herausforderungen zu bewältigen, bevor die Stammzelltransplantation alsStandardtherapie für Schlaganfall eingesetzt werden kann. So müssen beispielsweise die Risiken minimiert und eine potenzielle Anwendung im Menschen vereinfacht werden. Darüber hinaus ist es wichtig, die molekularen Mechanismen der Stammzellwirkung und der Gehirnreparatur aufzuklären.
Stimulation der adulten Neurogenese
Ein weiterer vielversprechender Ansatz in der Stammzellenforschung ist die Stimulation der adulten Neurogenese. Auch im erwachsenen Gehirn entstehen noch neue Nervenzellen, insbesondere im Hippocampus, einer Hirnregion, die entscheidend für Lern- und Gedächtnisvorgänge ist. Die Vision ist, dass sich die adulte Neurogenese gezielt stimulieren lässt, um Zellersatz quasi „vor Ort“ herzustellen.
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Die Rolle neuronaler Stammzellen
Neuronale Stammzellen sind offenbar in allen Hirnregionen anzutreffen; in den meisten ruhen sie allerdings. Die Neurogenese des erwachsenen Gehirns unterliegt einer subtilen funktionellen Regulation, wird aber auch von ererbten Faktoren bestimmt.
Möglichkeiten zur Steigerung der Neurogenese
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Neurogenese im erwachsenen Gehirn zu steigern. Eine Möglichkeit ist die Steigerung der Proliferation durch Wachstumsfaktoren. Eine andere Möglichkeit ist die gezielte Verhinderung der Apoptose von jungen Neuronen. Darüber hinaus kann auch die Umwelt die Neurogenese beeinflussen. So haben beispielsweise Mäuse, die in einer reizreichen Umgebung lebten, eine gesteigerte Neurogenese im Hippocampus.
Therapeutisches Potenzial
Die Stimulation der adulten Neurogenese könnte ein vielversprechender Therapieansatz für neurologische Erkrankungen sein, die mit Zellverlusten einhergehen. Durch die gezielte Stimulation der Neurogenese könnte man Zellersatz quasi „vor Ort“ herstellen und so möglicherweise neurologische Erkrankungen heilen - auch ohne Transplantation von Ersatzgewebe.
Stammzellen aus der Nase zur Behandlung von Parkinson
Die Parkinson-Krankheit ist eine neurodegenerative Erkrankung, die durch den Verlust von dopaminergen Nervenzellen gekennzeichnet ist. Wissenschaftler haben zum ersten Mal adulte menschliche Stammzellen verwendet, um die Parkinson-Krankheit bei Ratten zu heilen.
Gewinnung von Stammzellen aus der Nasenmuschel
Die Forscher gewannen dopaminerge Neuronen im Labor aus sogenannten „inferior turbinate stem cells“ (ITSCs). Diese Stammzellen werden aus der Nasenmuschel isoliert, die nach einer Operation üblicherweise verworfen wird.
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Transplantation von Stammzellen in Ratten mit Parkinson
Das Team untersuchte dann, wie ITSCs sich verhalten, wenn sie in Ratten transplantiert werden, die zuvor experimentell erzeugt Parkinson entwickelten. Vor der Transplantation zeigten die Ratten schwere Motorik- und Verhaltensdefizite. Zwölf Wochen nach der Injektion von ITSCs sind die Zellen innerhalb des Gehirns gewandert, die Nervenfunktion hatte sich entscheidend verbessert und das Verhalten der transplantierten Tiere hatte sich ebenfalls positiv verändert. Außerdem beobachteten die Wissenschaftler, dass sich nach der Transplantation dieser adulten Stammzellen keine Tumore entwickelten.
Vorteile von ITSCs
ITSCs eignen sich besonders gut für die regenerative Medizin, da sie leicht zugänglich sind und es keine ethischen Bedenken wie beim Einsatz von humanen embryonalen Stammzellen gibt.
Stammzellen zur Erforschung von Krankheitsmechanismen bei ALS
Am ALS-Zentrum der Universitätsmedizin Rostock werden die Möglichkeiten von Stammzellen in der Aufklärung von Krankheitsmechanismen der ALS sowie in der Behandlung von Menschen mit ALS erforscht.
Verschiedene Anwendungsfelder von Stammzellen
Bei der Betrachtung von Stammzellen sind verschiedene Eigenschaften und Anwendungsfelder zu unterscheiden:
- Stammzellen als Ersatz für untergegangene Motoneurone - „Neuroregeneration“
- Stammzellen, die Substanzen freisetzen, um Motoneurone zu schützen - „Neuroprotektion“
- Stammzellen als Forschungsmethode - genetisch veränderte Stammzellen, um in der „Petrischale“ die Krankheitsprozesse effektiver aufzuklären und Medikamente zu identifizieren
Vorteile der Forschung mit mutationstragenden Stammzellen
Die Forschung mit mutationstragenden Stammzellen bietet die Möglichkeit, die Krankheitsmechanismen der ALS besser zu verstehen und neue Medikamente zu entwickeln.
Gehirnorganoide zur Erforschung neurologischer Krankheiten
Zur Erforschung von Krankheiten verwenden Wissenschaftler häufig sogenannte Organoide. Diese Cluster aus bestimmten Zelltypen entstehen im Labor aus menschlichen Stammzellen. Je nach Nährlösung und Behandlung formen sie dreidimensionale Organ-ähnliche Strukturen aus mehreren Zelltypen.
Reifung von Gehirnorganoiden
Eine aktuelle Studie hat gezeigt, dass die Zellen in Gehirnorganoiden sogar so weit reifen können, dass sie denen eines postnatalen Gehirns ähneln. Nach mehr als einem Jahr Reifung im Labor spiegeln die Gehirnzellcluster demnach die genetischen und strukturellen Veränderungen im Gehirn eines Neugeborenen wider.
Anwendung von Gehirnorganoiden
Die Organoide könnten sich in dem fortgeschrittenen Stadium auch eignen, um neurologische Krankheiten zu erforschen, die erst mit der komplexeren Entwicklung des Gehirns entstehen.
Interferon und die Funktion neuronaler Stammzellen
Interferone sind Zell-Botenstoffe, die bei einer Virusinfektion das Immunsystem ankurbeln und modulieren. Darüber hinaus ist bekannt, dass Interferonsignale auch eine Ursache dafür sind, dass die Funktionsfähigkeit neuronaler Stammzellen mit dem Alter zurückgeht.
Die Rolle von Interferon
Eine aktuelle Studie hat gezeigt, dass Interferon-Signale nicht nur im Alter, sondern über die gesamte Lebensspanne hinweg die Aktivität der Hirnstammzellen beeinflussen, selbst schon bei jungen Tieren. Die Hirnstammzellen reagieren auf Interferon, Vorläuferzellen ab einem gewissen Entwicklungsschritt jedoch nicht mehr. Erst die ausdifferenzierten Neuronen sprechen wieder auf den Botenstoff an.
Therapeutisches Potenzial
Die Wissenschaftler sehen in Interferon eine mögliche Zielstruktur für Therapien, die die Selbsterneuerungsfähigkeit der Hirnstammzellen fördern und damit dem altersbedingten Abbau der Gehirnfunktion entgegenwirken könnten.
Astrozyten und die Reparatur von Hirnverletzungen
Ein Team hat herausgefunden, dass bei Hirnverletzungen bestimmte Zellen im Gehirn aktiv werden und Eigenschaften von neuronalen Stammzellen aufweisen. Regulator dieser Stammzelleigenschaften ist ein bestimmtes Protein, welches für neue therapeutische Ansätzen genutzt werden könnte.
Die Rolle von Astrozyten
Die neue Forschung zeigt, dass Gliazellen die Zellteilung wieder aufnehmen können und so das Eindringen von Immunzellen bei Hirnschäden verhindern. Darüber hinaus erlangen einige dieser Astrozyten neuronale Stammzelleigenschaften.
Galectin 3 als Marker für Astrozytenplastizität
Die Forscher entdeckten, dass diese Plastizität der Astrozyten eng mit der Hochregulierung des Proteins Galectin 3 verbunden ist. Das Protein ist somit ein Marker für sich teilende menschliche Astrozyten.
Therapeutisches Potenzial
Die Identifikation der zwei entscheidenden Regulatoren der Astrozytenproliferation nach Gehirnschäden ist eine wichtige Grundlage für eine zukünftige klinische Anwendbarkeit dieser Biomarker. Die Biomarker zeigen sowohl die positive Wirkung der Gliazellen und gleichzeitig auch den Stammzellcharakter bei Hirnschäden von Patient:innen.
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