08:10 27 Oktober 2020
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    Aufzucht von neuen Körperorganen, genetische Korrekturen, vollständige Heilung von schweren Krankheiten… Forscher suchen nach neuen Methoden zur Lösung dieser Aufgaben durch die Erforschung von Stammzellen, auch wenn der ethische Aspekt dieser Aktivitäten lebhafte öffentliche Debatten hervorruft.

    Laut jüngsten Angaben können Mittel auf der Basis von Stammzellen unter anderem bei der Bekämpfung des Coronavirus hilfreich werden: Das Medikament, mit dem beispielsweise US-Präsident Donald Trump behandelt wurde, wurde mit ihrer Hilfe entwickelt. Welche einzigartigen Möglichkeiten sich der Menschheit in diesem Zusammenhang bieten, erläutern Forscher von russischen Universitäten, die sich am „Projekt 5-100“ beteiligen.

    Stammzellen und Corona

    Anfang Oktober wurde verkündet, dass US-Präsident Donald Trump von seinen Ärzten ein „Cocktail“ aus Anti-Virus-Antikörpern verabreicht bekommen hatte, das von der Firma Regeneron entwickelt worden war. Der US-amerikanische Staatschef selbst nannte dieses Medikament „wunderbar“. 

    Regeneron entwickelte dieses Behandlungsverfahren mithilfe der Zellenlinie unter dem Namen HEK 293, die ursprünglich aus einem 1973 in den Niederlanden abgetriebenen Embryo gewonnen worden war. Allerdings gibt es in dem Medikament selbst keine Stammzellen.

    Im Herbst 2020 erklärten auch andere Forscher, dass das Virus Covid-19 mithilfe von Stammzellen erfolgreich bekämpft werden könnte. In den USA wurde die Genehmigung für die Verwendung eines Medikaments beantragt, das auf der Basis von mesenchymalen Stammzellen aus dem Nabelschnurgewebe entwickelt wurde. Israelische Forscher zeigten gleich mehrere Varianten der Behandlung von Patienten mit Corona und Lungenentzündung unter Anwendung von Stammzellen auf.

    Den Experten zufolge haben mesechymale Stammzellen bessere Aussichten für die Behandlung von Covid-19-Patienten, weil sie ein enorm aktiviertes Immunsystem unterdrücken und die Ausheilung der Insuffizienz von Lungen und anderen Organen fördern können, die in schweren Fällen ziemlich typisch ist.

    Stammzellen – was ist das überhaupt?

    Forscher haben den Begriff „Stammzelle“ eingeführt, um zu erklären, warum Vielzellenorganismen, die permanent ihre Zellen verlieren (beispielsweise die Hautzellen), am Leben bleiben und sich äußerlich nicht verändern.

    Bei Stammzellen handelt es sich im Grunde um einen universalen „Baustoff“, den der Organismus zum Regenerieren einsetzt. Sie bestehen im Organismus in allen dessen Lebensstadien, können sich teilen und fortpflanzen – und unverändert bleiben. In einem gewissen Moment können sie bei der Teilung ihr Programm korrigieren und neue, spezielle Zellen (Blutzellen, Zellen verschiedener Organe) produzieren und damit alte, abgelebte Zellen ersetzen.

    Die Stammzellentheorie, der zufolge sich aus Stammzellen „spezielle“ Nachkommen entwickeln könnten, erläuterte 1909 der russische Forscher Alexander Maximow am Beispiel der Blutzellen. Und 1981 konnten US-amerikanische Wissenschaftler bei Experimenten an Mäusen beweisen, dass es  embryonale Stammzellen gibt.

    Stammzellen lassen sich in drei große Kategorien aufteilen, abhängig von ihrer Herkunft: embryonale (diese werden aus der Plazenta gewonnen), fetale (werden aus einem Embryo nach der Abtreibung gewonnen) und postnatale (Zellen eines erwachsenen Organismus).

    Obwohl die Stammzellen eines erwachsenen Organismus ein wesentlich geringeres Anwendungspotenzial im Vergleich zu den embryonalen und fetalen haben und eine viel geringere Zahl von verschiedenen Zellentypen produzieren können, ruft der ethische Aspekt ihrer Verwendung viel weniger öffentliche Debatten hervor. Manche Forscher plädieren für die Verwendung dieses Stammzellentyps im Kampf gegen das Coronavirus sowie bei Lungenentzündungen. Nach heutigem Stand werden sie bei der Gewebeentwicklung und bei der Arbeit an individuellen Diagnosemitteln eingesetzt.

    Embryonale Stammzellen verfügen über einmalige Eigenschaften: Erstens können sie sich ewig lange teilen; zweitens können sich ihre „Nachkommen“ in jede mögliche „spezielle“ Zelle verwandeln, ob in eine Hirnneurone, Leber- oder Darmzelle: Dafür muss nur ein entsprechendes molekular-genetisches Programm her.

    Das Problem ist aber, dass in vielen Ländern die Verwendung des Zellenstoffs aus menschlichen Embryos aus ethischen Gründen verboten ist. Angesichts dessen mussten Biologen eine Alternative entwickeln: 2006 gewann der Japaner Shinya Yamanaka zum ersten Mal so genannte pluripotente Stammzellen (iPSC oder iPS), wofür er später mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde.

    Stammzellen, die embryonalen Stammzellen ähnlich sind, könnten der Menschheit unter Umständen die Chance auf künstliche Regenerierung und auf Ausheilung von schweren Krankheiten schenken. So können inzwischen krebskranke Patienten auskuriert werden, wenn bei ihnen so genannte „geschwulstassoziierte“ T-Zellen ausgesondert, modifiziert und wieder in ihren Organismus eingepflanzt werden. T-Zellen machen die wichtigste Waffe des Organismus aus, die sich aus Leukozyten im Knochenmark aussondern und dafür sorgen, dass Zellen erkannt und vernichtet werden, wenn sie fremde Antigene tragen.

    Beseitigung von angeborenen genetischen Defekten

    Analoge von T-Zellen können inzwischen dank einem großen Projekt der Experten von der Moskauer Nationalen nuklearen Forschungsuniversität (MEPhI) und ihrer Kollegen von den Universitäten in Guangzhou (China) und Harvard (USA) gewonnen werden.

    Mit stammzellenähnlichen Zellen entwickeln die MEPhI-Wissenschaftler gemeinsam mit ihren Kollegen vom Nationalen medizinischen Forschungszentrum für Endokrinologie beim russischen Gesundheitsministerium Methoden zur Behandlung von Patienten mit genetischen Defekten, die eine Funktionsstörung der Nebennierenrinde hervorrufen. Diese schwere Erkrankung kommt in den ersten Lebenswochen eines Menschen zutage und ist äußerst gefährlich.

    „Eine übliche Gentherapie reicht in solchen Fällen nicht: Die Stammzellen der Nebennierenrinde erneuern sich sehr schnell, und deshalb ist die funktionsfähige Kopie der Gene lediglich acht bis zwölf Wochen aktiv – dann verliert sie an Aktivität“, sagte der Leiter des MEPhI-Labors für Genom-Ingenieurswesen, Pawel Woltschkow, gegenüber RIA Novosti.

    Seine Kollegen sind nämlich auf die Idee gekommen, das funktionsunfähige Genom zu „reparieren“: Bei einer laparoskopischen Operation wird in den Organismus ein System zum „Redigieren“ des entsprechenden Gens eingepflanzt.

    Aktuell werden solche Experimente an Labormäusen geführt, aber für die vollständige Lösung dieser Aufgabe sind Experimente auch am menschlichen Genom erforderlich. Da gibt es den Forschern zufolge zwei Varianten: Mäuse mit menschlichem Lokus zu kreieren oder diese Arbeit „in vitro“ zu führen.

    Wachstum beschleunigen und Ausgaben reduzieren

    Stammzellen haben ein großes Potenzial für ihre Verwendung bei der Entwicklung von zu transplantierenden Geweben und Organen. Unter den jüngsten Errungenschaften der Wissenschaftler sind ein kleines menschliches Herz, ein Embryogehirn-Modell und eine Speiseröhre erwähnenswert, die aus Stammzellen gezüchtet wurden.

    Forscher von der Baltischen Universität “Immanuel Kant” (Kaliningrad) beschäftigen sich mit der Produktion von Neuronen aus postnatalen Stammzellen, die dann bei Verletzungen des Rückenmarks und des Nervengewebes transplantiert werden könnten.

    Heutzutage fügen Forscher in die Zellenumgebung Wachstumsfaktoren und -fermente hinzu, um die Differenzierung von neuronalen Stammzellen zu fördern. Das ist allerdings eine kostspielige Methode, die zudem eine längere Zeit für die Differenzierung der Stammzellen in Anspruch nimmt.

    „Das wollen wir dank unserer Methodik korrigieren. Solche Stoffe wie Piezopolymere sind billig in der Herstellung und können leicht verwendet werden, wobei die Methodik selbst die Entwicklung der Stammzellen in Neuronen eines gewissen Typs beschleunigen kann“, erläuterte die Mitarbeiterin des Labors für neue Magnetstoffe an der Universität „Immanuel Kant“, Jekaterina Lewada.

    Zwecks Förderung des Zellenwachstums entwickeln die Wissenschaftler so genannte komposite Multiferroik – Magnetteilchen, die im Voraus in einer biokompatiblen Piezopolymer-Matrix aufgelöst werden. Für solche Verbundstoffe ist eine deutliche Verbindung von magnetischen und elektrischen Eigenschaften typisch.

    „Wir wollen den neuen Stoff als Basis für die Kultivierung von biologischen Objekten einsetzen und diese mit magnetischen und elektrischen Feldern beeinflussen“, so der Experte der Kant-Universität in Kaliningrad Abdulkarim Amirow gegenüber RIA Novosti. „Diese Methode könnte sich im Vergleich zu einzelnen Feldern als viel effizienter erweisen.“

    Individuelle Anti-Krebs-Behandlungsmittel

    Postnatale Stammzellen, die bei einem konkreten Menschen genommen werden, können zwecks Entwicklung von individuellen Methoden zur Diagnostizierung von Krebserkrankungen sowie für primäre Untersuchungen von gegen Krebs aktiven Stoffen verwendet werden.

    Den Experten zufolge machen die Stammzellen nicht nur einen universalen „Baustoff“ für Blut- und Organzellen aus, sondern fördern auch das Wachstum und die Lebensfähigkeit von bösartigen Geschwülsten im Organismus, machen sie resistent gegen Chemotherapie, was natürlich die Behandlung wesentlich beeinträchtigt. Also suchen die Ärzte und Wissenschaftler nach maximal effizienten Behandlungsmethoden, die diese Hürden überwinden könnten.

    Aktuell werden in der Pharmazie vor allem 2D-Modelle „in vitro“ verwendet – also Zellen, die auf einer flachen Oberfläche wachsen. Dabei wird normalerweise nur ein Typ der Geschwulstzellen verwendet. Aber bei 2D-Modellen werden die natürliche 3D-Architektur der Geschwulst und komplizierte Zellenverflechtungen nicht berücksichtigt – also kann man dabei nicht mit völlig objektiven Ergebnissen rechnen.

    Experten in der ganzen Welt arbeiten an neuen Modellen von Krebserkrankungen, wobei das sowohl relativ einfache 3D-Aggregate von Geschwulstzellen (Sphäroiden) und Geschwulstteilen (Organoiden) als auch komplizierte Technologien von Organen mit eingebauten Chips sein können.

    Im Forschungszentrum für Präzisions- und Regenerationsmedizin des Instituts für fundamentale Medizin und Biologie bei der Kasaner föderalen Universität werden spezielle Testsysteme entwickelt. Sie stützen sich auf die gemeinsame Kultivierung von Stamm-, Geschwulst- und Immunzellen, wobei eine spezielle Außerzellenmatrix hinzugefügt wird, damit die Zellen in einer 3D-Umgebung existieren, die natürlichen Geschwulstgeweben des Organismus ähnelt.

    Auf diese Weise können gewebeähnliche 3D-Strukturen hergestellt werden, die der richtigen Geschwulst ähneln; außerdem werden dabei die Entstehung von Metastasen modelliert und die Arzneiresistenz „in vitro“ entwickelt.

    „Das von unseren Forschern entwickelte Testsystem passt unter Umständen auch für die Suche nach Chemotherapie-Methoden, wobei Stamm-, Geschwulst- und Immunzellen des jeweiligen Patienten verwendet werden“, sagt der Professor der Kasaner Universität, Ehrenprofessor für Grundlagenmedizin an der University of Nottingham, Albert Riswanow.

    Der Beitrag wurde im Rahmen des „Projekts 5-100“  angefertigt. Die Aufgabe dieses Projekts ist, den führenden Universitäten Russlands staatliche Unterstützung zu leisten, um ihre Konkurrenzfähigkeit unter den führenden Forschungszentren der Welt zu fördern.

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    Tags:
    Bekämpfung, Behandlung, Krebs, Coronavirus, Stammzellen