Neo-Organzüchtung mit Schwerpunkt Stammzellen

Neo-Organzüchtung: Schwerpunkt Stammzellen

Gewinnung von embryonalen Stammzellen aus einer Blastocyste bei Mäusen

Gezielte Züchtung von Stammzellen

Universalzellen für Transplantationszwecke

Herstellung von "Universal-Spenderzellen"

Weitere Anwendungsmöglichkeiten von embryonalen Stammzellen

"Knock-out"-Mäuse

Tissue Engineering

Angiogenese

Hindernisse in der Neo-Organzucht

Polymermatrix als Träger für künstlich hergestellte Organe

Anforderungen an neue Materialien

Direkte Wirkstoffverabreichung

Kombination von Plasmiden und Polymergerüsten

Behebung von Hautdefekten und Knorpelschäden

Modellierung mit Knorpel

Bildung von Blutgefäßen in gezüchteten Geweben

Vakularisierte Knochen für die Rekonstruktionschirugie

Verfahren für die Züchtung gewünschter Zellen und Geweben

Die mechanischen Eigenschaften von Geweben

Die Steuerung des Zellverhaltens

Der Ersatz des Ersatzes

Neue Konservierungsmethoden

Genbanken

Vorläuferzellen

Embryonale Keimzellen

Die Funktion von Stammzellen und Vorläuferzellen am Beispiel der Entwicklung von

Sinnesorganen bei der Drosophila

Aus dem erwachsenen Organismus sind schon länger verschiedene Typen von Stammzellen bekannt, allerdings mit einem wesentlich kleineren Entwicklungspotential, wovon man bislang ausging.

Stammzellen selbst können keine bestimmten Funktionen in einem Organ erfüllen, dazu sind sie zu unspezialisiert. Sie teilen sich in der Regel unsymmetrisch, einerseits entsteht als Tochterzelle wieder eine Stammzelle und andererseits eine Vorläuferzelle für einen bestimmten Zelltyp oder auch mehrere Zelltypen. Auf diese Weise erneuern die Stammzellen unseres Verdauungstrakts ständig die Auskleidung des Darms, während die der Haut Nachschub an Hautzellen liefern. Die blutbildenden Stammzellen des Knochenmarks regenerieren die gesamte Palette unserer Blutkörperchen.

In der Keimbahn hat der Begriff Stammzelle eine ganz natürliche Bedeutung, da aus der befruchteten Eizelle zunächst die Blastocyste mit der inneren und der äußeren Zellmasse entsteht und aus dieser alle anderen Körperzellen (aus dem Embryoblasten) und die Plazenta (aus dem Trophoblasten) entstehen. Daher nennt man die Zellen im 4-Zellen-Stadium totipotent. Entnimmt man der Blastocyste eine Zelle aus dem Embryoblasten (ES-Zellen), so ist diese pluripotent (griech.: zu vielem fähig), denn sie kann zwar noch alle Zellen des Körpers bilden, aber nicht mehr die Plazenta. Dem Fetus können Stammzellen der Keimdrüsenleiste entnommen werden (EG-Zellen), die wahrscheinlich noch dasselbe Entwicklungspotential wie die ES-Zellen besitzen.

Wenn sich der Keimling entwickelt über, den Fetus bis zum Erwachsenen, so wird das Entwicklungspotential der Zellen immer weiter eingeschränkt.

Der erwachsenen Körper besitzt noch Stammzellen, nämlichmultipotente Stammzellen.Das bekannteste Beispiel sind die HSC (haematopoietische Stammzellen = Blutbildungszellen), die sämtlichen Zellen des Blutes bilden.

Auch die meisten Tumore entstehen aus einer einzigen Zelle, während im Tumor selbst verschiedene Zelltypen vorhanden sind. Ein extremes Beispiel bilden Tumore der Hoden bei der Maus. Sie könne dadurch hervorgerufen werden, dass man eine einzige gesunde Zelle an eine andere Stelle verpflanzt.

Mittlerweile ist es Wissenschaftlern gelungen, neuronale Stammzellen dazu zu bringen, sich zu Herz-, Lungen-, Leber-, Darm- oder Nervenzellen eines erwachsenen Organismus zu differenzieren. Dazu entnahm man neuronale Stammzellen dem Gehirn erwachsener Mäuse, vermehrte sie im Reagenzglas und fügte sie mittels Injektion in befruchtete Hühnereier und Mäuseembryos ein.

Je nachdem wo die injizierten Stammzellen sich einfügten, passten sie sich ihrer Umgebung an, und wurden zu der gleichen Zellenart wie die benachbarten Zellen.

Offenbar spielt also die Umgebung eine große Rolle, um festzulegen, zu welcher Art von Körperzellen Stammzellen sich entwickeln. Die Wissenschaftler haben aber noch keine Hinweise gefunden, aufgrund welcher äußerer Signale die Bestimmung geschieht. Natürlich hofft man darauf, die Signale zu finden, sodass sich möglicherweise irgendwann auch ohne die Implantation in Embryos oder in die Umgebung von Embryonalzellen Stammzellen zu bestimmten Körperzellen züchten lassen.

Obgleich noch unbekannt ist, wie lange die verwandelten Stammzellen tatsächlich überleben, so leiten die Wissenschaftler die gelungene Anpassung daran ab, dass die Herzen der Embryonen, die große Mengen der Stammzellen enthielten, ganz normal arbeiteten. Um erkennen zu können, wo die Stammzellen sich angesiedelt haben, wurden diese genetisch "markiert".

Aber erst 1998 ist es Wissenschaftlern überhaupt gelungen, menschliche embryonale Stammzellen dauerhaft in Kultur zu züchten. Pionierarbeit leistete hier James A. Thomson. Er injizierte Nacktmäusen, die Körperfremdes nicht abstoßen, embryonale Stammzellen unter die Haut. Es bildeten sich tumorartige Gebilde mit einem ganzen Spektrum unterscheidbarer Gewebetypen, darunter Darmschleimhaut, Knorpel, Knochen, Muskelzellen und Neuralepithel. Verfolgt man die Herkunft dieser unterschiedlichen Gewebe bei der normalem Embryonalentwicklung, so sind alle drei Grundkörperschichten als Ursprung vertreten: Ektoderm, Mesoderm und Endoderm. Auch dies zeugt vom flexiblen Entwicklungspotential der isolierten embryonalen Stammzellen.

Stammzellen haben noch eine attraktive Eigenschaft: Weil sie Telomerase erzeugen, können sie sich prinzipiell ewig erneuern und eine potentiell grenzenlose Zahl von Zellen hervorbringen. Telomerase ist ein Enzym, das das Altern von Zellen verhindert und möglicherweise zur Lebensverlängerung eingesetzt werden könnte.

Gewinnung von embryonalen Stammzellen aus einer Blastocyste bei Mäusen

Ein Mäuse-Embryo im Blastocystenstadium, genannt Keimbläschen, umfasst etwa 100 Zellen und sieht aus wie eine Hohlkugel mit einer lokalen Verdickung, Embryonalknoten genannt. Aus dem intakten kleinen Ball, kaum dicker als eine Augenwimper, würden nach der Einnistung in die Schleimhaut der Gebärmutter auch die Embryonalhüllen, die Eihäute hervorgehen.

Unter den Kulturbedingungen in der Petrischale kollabiert bei den Mäuseblastocysten die äußere Zellschicht, undifferenzierte Zellen des Embryonalknotens bilden dann spontan Klümpchen, aus denen sich schließlich embryonale Stammzellen kultivieren lassen. Diese können sich lange weiterteilen ohne ihren unspezialisierten Zustand aufzugeben. Sobald sie jedoch in eine neue Mäuseblastocyste injiziert werden, reagieren sie auf dort einwirkende natürliche Entwicklungssignale. Bald darauf sind ihre spezialisierten Abkömmlinge in fast allen Geweben der heranwachsenden Mäuse-Embryos nachzuweisen. Sie verhalten sich somit zwar ganz ähnlich wie die Zellen des Embryonalknotens, aus denen alle Körperzellen hervorgehen, sind aber nicht mehr mit ihnen identisch: offenbar kommt es in Kultur zu kleinen Veränderungen, die ihre Entwicklungsmöglichkeiten etwas einschränken. Beim Erproben unterschiedlicher Kulturbedingungen zeigte sich, dass immer dann eine - allerdings nicht lenkbare - Differenzierung einsetzt, wenn eine biologische Schlüsselsubstanz, der sogenannte "Leukämie-inhibierende Faktor" nicht bereitgestellt wird. Dabei entsteht allerdings nur ein wesentlich kleineres Repertoire an Zelltypen als nach der Injektion in eine Blastocyste. Vermutlich mangelt es dem Kulturmedium an wichtigen, für eine andere Entwicklung nötigen Stoffen, die im Embryo vorhanden sind.

Es besteht aber die Möglichkeit durch geeignete Manipulationen die lenkenden Bedingungen im Embryo zu imitieren. Es wurden embryonale Stammzellen von Mäusen mit Retinosäure, einem Vitamin-A-Derivat, behandelt. Darauf hin entwickelten sich Neuronen. Dieser bemerkenswerte Effekt dieser einfachen Substanz scheint auf der Aktivierung eines Sortiments an Genen zu beruhen, das für Neuronen charakteristisch ist. Zugleich werden offenbar Gene für andere Entwicklungsrichtungen inaktiviert.

Bei Primaten ist es methodisch aufwendiger als bei Mäusen, Kulturen anzulegen. Die äußere Zellschicht ihrer Blastocyste zerfällt in Kultur nicht so leicht; sie muss eigens entfernt werden, sonst stirbt der Embryonalknoten ab.

Gezielte Züchtung von Stammzellen

Es war auch schon die gezielte Züchtung von Blutzellen erfolgreich. Mit bestimmten Wachstumsfaktoren werden Nachkommen embryonale Stammzellen dazu angeregt, die gesamte Palette von Zellen zu bilden, die im Blut vorkommen.

Manche medizinisch nützliche Geweben dürften sich sogar ohne besonderes Zutun formieren. Zum Beispiel tauchten in Folgekulturen embryonaler Stammzellen auffällige Zellklümpchen auf, die sich von selbst differenziert haben und im gleichen Rhythmus wie ein menschliches Herz zucken. Eine Möglichkeit ist es daher spontane Entwicklungen einfach zuzulassen und anschließend die interessierenden Typen von Zellen selektiv weiterzuvermehren.

Zellen, die von selbst zu Herzmuskelzellen (Kardiomyocyten) werden, können auf einen Reinheitsgradvon über 99 Prozent angereichert werden. Dazu bekommen embryonale Mäuse-Stammzellen ein manipuliertes Gen für Antibiotika-Resistenz eingeschleust: es wird mit einem vorgeschaltetem Steuerelement kombiniert, das ausschließlich in Herzmuskelzellen anspringt. Die Differenzierung der Zellen wird abgewartet, und anschließend wird die Zelle mit soviel Antibiotikum behandelt, dass Zellen ohne das Resistenz-Gen weitgehend absterben. Das Ergebnis ist eine praktisch reine Kardiomyocyten-Präparation. Werden diese Zellen erwachsenen Mäusen ins Herz verpflanzt, wachsen sie an bilden mit den vorhandenen Zellen einen engen Verbund.

Jedoch bleibt dies ein entscheidendes Problem, reine Zellkulturen zu züchten. Das Zellgemisch, das embryonale Stammzellen nach der Injektion in immunschwachen Nacktmäuse ausbilden, ist ein "Teratom", ein bestimmter Typ von Tumor. Ein therapeutischer Einsatz der Zellen kommt nur in Frage, wenn sie alle so weit ausdifferenziert sind, dass sie sich mit Sicherheit nicht mehr unkontrolliert ausbreiten und unerwünschtes Gewebe bilden. Strikte Reinigungsprozeduren sind daher erforderlich.

Nach der direkten Implantation von embryonalen Stammzellen beispielsweise in einen bestimmten Hirnbereich nehmen viele der angewachsenen Zellen die typische Gestalt von Neuronen an: einigen produzieren ein Enzym, das nötig ist, um den für bestimmte Nervenzellen typischen Botenstoff Dopamin herzustellen. Die neuronenartigen Zellen entwickeln sogar Ausläufer, die wie die langen, signalübertragenden Nervenfortsätze, Axone, aussehen, und teilweise bis in andere, angrenzende Hirnregionen reichen. Ob solche Zellen auch korrekt funktionieren, bleibt noch zu prüfen. Unklar ist auch noch, ob und welche Wachstumsfaktoren in den Mäusen die Implantate zur Umformung anregen.

Universalzellen für Transplantationszwecke

Ein weiteres Ziel ist es, Zellen herzustellen, die vom Immunsystem nach einer

Transplantation nicht als fremd erkannt werden. Zwei Wege sind denkbar:

Erstens die Konstruktion eines universellen Spenderzelltyps, der von jedem Empfängerorganismus angenommen werden. Dazu dürften Zellen keine Proteine auf ihrer Oberfläche mehr aufweisen, die sie für das Immunsystem als fremd kennzeichnen. Dazu müsste eine Anzahl von Genen in den Zellen inaktiviert oder verändert werden.

Zweitens könnte man Zellen herstellen, die mit dem Patientengeweben genetisch identisch sind. Das setzt ein sogenanntes therapeutisches Klonen voraus, was folgendermaßen vor sich geht: Einer unbefruchteten Eizelle werden die eigenen Chromosomen entfernt und dafür der Kern einer gewöhnlichen Körperzelle übertragen. Das geschieht mit Hilfe einer feinen gläsernen Hohlnadel, nur ein Zehntel so dick wie ein menschliches Haar. Ein kurzer elektrischer Impuls stimuliert die Eizelle sich weiterzuentwickeln- diesmal gemäß der genetischen Information der Spenderzelle. Ein solcher Kerntransfer lässt sich auch durch simples Verschmelzen der vorbereiteten Zellpartner erreichen.

Herstellung von "Universal-Spenderzellen"

Dazu müssen die Oberflächenmoleküle, welche die Spenderzellen als körperfremd ausweisen, entfernt oder mit anderen Molekülen verdeckt (maskiert) werden. Auf diesem Wege wird versucht, bestimmte Arten von Schweinezellen für den Menschen kompatibel zu machen; und durch Maskieren der kritischen Oberflächenmoleküle möchte man das auch bei menschlichen Zellen unpassender Spender erreichen.

Vorteile solcher Universal-Spenderzellen:

¬ im Prinzip sollte der Empfängerorganismus sie tolerieren

¬ erzeugen ließen sie sich für verschiedene Arten von Zellen vieler unterschiedlicher Gewebe

¬ zudem könnte man Linien von Universal-Spenderzellen in Kultur halten, bis sie benötigt werden.

Weitere Anwendungsmöglichkeiten von embryonalen Stammzellen

Auch auf dem Gebiet der Erforschung der Proteinausstattung menschlicher Zellen können sich embryonale Stammzellen als nützlich erweisen. Wenn ein Eiweißstoff nämlich nur in geringer Konzentration in bestimmten Zellen vorkommt, ist es oft schwierig, genug Zellmaterial zu beschaffen, um nachweisbare Mengen zu gewinnen. Aus embryonalen Stammzellen aber sollten sich im Prinzip bestimmte Zelltypen unbegrenzt erzeugen lassen. Ein weiteres Anwendungsfeld von Stammzellen wäre, an ihnen Medikamente daraufhin zu testen, ob sie die Embryonalentwicklung beeinflussen oder Missbildungen auslösen. Schließlich bieten solche Zellen auch einen Ansatz auf ethisch vertretbare Weise früheste Ereignisse in der Entwicklung eines Menschen auf zellulärer und molekularer Ebene zu erforschen. Die ethischen Probleme, die Experimente an intakten Embryonen aufwerfen, sollten hierbei nicht auftreten, denn aus embryonalen Stammzellen allein kann noch kein menschlicher Keim entstehen.

"Knock-out"-Mäuse

Aus Blastocysten können omnipotente embryonale Stammzellen entnommen und in Kultur gehalten werden. In Kultur können diese durch homologe Rekombination an der richtigen Stelle im Genom gentechnologisch veränderte DNA aufnehmen. Durch einen Selektionsmarker (zum Beispiel Antibiotika-Restistenz) kann man diese Zelle mit einem veränderten Haplotyp selektieren, und in die Blastocyste zurückführen. Der daraus entstehende Organismus ist ein Mosaik aus Zellen mit unterschiedlichen Genomen. Wenn während der Embryonalentwicklung die Keimzellen aus den Stammzellen mit dem veränderten Genom gebildet werden, kann man durch Kreuzung solcher haploiden Individuen reinerbige Nachkommen mit einem veränderten Genom erzeugen. Diese Methode wird angewandt, um gezielt ein bestimmtes Gen aus Mäusen zu entfernen, solche Tiere werden als "knock-out"-Mäuse bezeichnet. Dadurch ist es möglich, die Funktion einzelner Gene im Gesamtorganismus zu beurteilen.

Tissue Engineering

Unter diesem Begriff versteht man die Ersatzteilzüchtung für den Menschen, das heißt, Organe künstlich aus nur wenigen Zellen in Nährlösungen heranzuziehen.

In einigen Krankenhäusern in den USA werden bereits Gewebe für Transplantationszwecke "vorgefertigt", darunter Haut, Knorpel, Knochen, Bänder und Sehnen. Tatsächlich mehren sich die Hinweise, dass es zumindest theoretisch möglich ist, nicht nur vergleichsweise einfache Strukturen, sondern auch große und komplexere Organe wie Leber, Niere, Brüste, Blase und Darm heranzuzüchten. Ein jüngst entwickelter Blasenersatz funktioniert sogar schon bei Hunden. Wie das vonstatten gehen könnte zeigt die Natur: In der Gebärmutter einer Schwangeren reift aus wenigen, noch undifferenzierten Zellen ein vollständiges Individuum mit vielen unterschiedlichen Geweben und Organen heran. Zellen reagieren auf bestimmte biochemische Faktoren in vorhersagbarer Weise. Dies machen sich Biochemiker bei der Gewebezucht im Körper zunutze: Sie versorgen verletzte oder anderweitig beschädigte Bereiche mit bestimmten biologischen Molekülen, welche die Regeneration von Geweben fördern. Der Ansatz basiert auf zwei grundlegenden Entdeckungen im Zusammenhang mit Knochen und Blutgefäßen. Es entsteht neues Knochengewebe, wenn man Tieren pulverisiertes Knochenmaterial implantiert. Diese Entdeckung führte schließlich zur Isolation von Proteinen, die diese Neubildung steuern und deshalb Knochen-Morphogenese-Faktoren genannt werden( eng.: bone morphogenetic proteins - BMPs). Nachdem auch die Basenfolge der zugehörigen Gene aufgeklärt war, wurde damit begonnen menschliche BMPs in größeren Mengen herzustellen . Dazu schleust man menschliche Gene in spezielle Zelllinien aus Säugetieren ein, die in Kultur gehaltenen Zellen produzieren daraufhin Knochen-Morphogenese-Faktoren.

Angiogenese

Entscheidend für die Neo-Organzucht ist, dass jede einzelne Zelle mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt wird. In Geweben dicker als ein paar Millimeter müssen deshalb Blutgefäße einwachsen. Ein Glück für die Ersatzteilzüchtung ist, dass sich bestimmte Zelltypen im Körper dazu anregen lassen, Blutgefäße auszubilden, das heißt, sie sind fähig zur Angiogenese. Entdeckt wurde dieses Phänomen von Judah Folkman, als er nach Möglichkeiten suchte, das Wachstum von bösartigen Tumoren zu stoppen. Folkman stellte fest, dass heranwachsende Tumore aktiv dafür sorgen, dass Blutgefäße in sie einsprossen. Es gelang sowohl Körpermoleküle zu isolieren, die die Angiogenese hemmen (Angiogenese- Inhibitoren), als auch solche, die sie fördern, nämlich Angiogenese-Promotoren. Diese Substanzen können mittlerweile großteils auf gentechnischem Wege hergestellt werden. Wie Versuche an Tieren ergeben haben, regen die Angiogenese-Promotorendas Wachstum neuer Blutgefäße im Herzmuskel an. Die neugebildeten Adern formen eine Umgehung, eine Bypass, zum Beispiel um ein verschlossenes Herzgefäß. Erste klinische Studien sollen klären, ob sich auf diesem natürlichen Weg entsprechende Probleme beim Menschen behandeln lassen.

Hindernisse in der Neo-Organzucht

Derzeit sind nur die Faktoren für das Knochenwachstum und die Blutgefäßbildung ausreichend bekannt Für Organe wie beispielsweise Leber müssen die Faktoren erst noch identifiziert und gentechnisch hergestellt werden.

Ein weiteres praktisches Problem ist, wie die Substanzen, die die Organentwicklung steuern, am besten zu verabreichen sind. Welche Konzentration wird für den gewünschten Effekt benötigt? Wie lange sollen die Zielzellen der Substanz ausgesetzt sein? Wie stabil ist sie im Körper? Mit Sicherheit bedarf es für die Entwicklung ganzer Organe mehrerer Kontrollmoleküle - wann genau im Laufe der Organentwicklung muss ein Faktor den anderen ersetzen? Techniken zur verzögerten Wirkstofffreisetzung , wie sie unter anderem heute schon für "transdermale" Pflastersysteme benutzt werden, dürften bei der Klärung der Fragen nützlich sein.

Polymermatrix als Träger für künstlich hergestellte Organe

Eine Möglichkeit, biologisch aktive Moleküle an der gewünschten Stelle im Körper bereitzustellen, bieten injizierbare Polymere, die Matrix und Wirkstoffdepot zugleich sein können.

Die Polymere sind zunächst plastisch formbar, was erlaubt, sie in unregelmäßige Knochendefekte einzupassen. Nach 10 bin 15 Minuten Aushärtungszeit sind ihre mechanischen Eigenschaften ganz ähnlich wie die des fehlenden Knochens in der rekonstruierten Skelettregion. In den folgenden Wochen und Monaten baut sich das Material kontrolliert ab und wird durch neugebildeten Knochen ersetzt.

Eine weitere Möglichkeit injizierbare, biologisch abbaubare Hydrogele. Diese gelatineartigen, wasserhaltigen Polymere, die spezielle Wirkstoffmoleküle einschließen, können etwa verwendet werden, um Paradontalerkrankungen zu behandeln: eine gesteuerte Knochenregeneration soll die Verbindung zwischen Zahn und Kieferknochen wiederherstellen. Wie sich zeigte, bilden Hydrogele eine Matrix, in der sich neuer Knochen bilden kann. Außerdem vermindern sie die Narbenbildung im regenerierenden Bereich.

Dennoch stehen Verbesserungen bei den Gerüstmaterialien an. Im typischen Fall werden bislang Biomoleküle verwendet oder solche, die eigentlich für andere medizinische Zwecke gedacht waren. Wissenschaftler entwickeln jedoch derzeit resorbierbare Polymere speziell für Ersatzteilzüchtung. Diese Materialien sollen nicht nur Größe und Form der zu bildenden Geweben genau vorgeben, sondern auch die Funktionen von Zellen steuern, die in Kontakt mit der Matrix treten. Außerdem sollen sie in einer für die Gewebeneubildung optimalen Geschwindigkeit abgebaut werden.

Anforderungen an neue Materialien

Neu entwickelte Materialien für Polymergerüste müssen biologisch abbaubar sein und dürfen nicht zur Bildung von Narbengewebe führen. Verwendet werden derzeit als Gewebeunterlage oder Organgerüst bei Ersatzteilzüchtung entweder rein künstliche Materialien, wie vom Körper resorbierbares chirurgisches Nahtmaterial oder aber natürliche Substanzen wie Kollagen und Alginat, ein gelartiges Produkt aus Algen. Die Vorzüge von ersteren: Ihre Festigkeit, Mikrostruktur, Durchlässigkeit und Abbaugeschwindigkeit lassen sich produktionstechnisch steuern. Dagegen haben natürliche Materialien den Vorteil, dass die Zellen auf ihnen gewöhnlich leichter haften.

Die jeweils günstigen Eigenschaften beider Sorten bei der Entwicklung neuer Materialien zu vereinen, ist daher das Ziel der aktuellen Forschung. Konstruiert werden etwa resorbierbare Polymere mit Abschnitten, die der natürlichen extrazellulären Matrix bestimmter Geweben nachgebildet sind. Eines davon enthält RGD-Regionen der Gerüstproteins Fibornectins. Das Kürzel steht für den Einbuchstabencode der drei enthaltenen Aminosäuren: Arginin (R), Glycin (G) und Asparagin (D). Im Körper haften viele Arten von Zellen an Fibronectin, indem sie sich an der RGD-Region verankern. Daher bieten RGD-haltige Polymere möglicherweise eine "natürlichere" Umgebung für die auf ihnen wachsenden Zellen. Weiters wird an elektrisch leitenden Polymeren gearbeitet, da diese Eigenschaft bei der Züchtung von Nervenzellen nützlich sein könnte.

Zur Reparatur von Knochenbrüchen werden Polymere entwickelt, die sich rasch vernetzen und sich verfestigen, was bei injizierbaren bioartifiziellen Produkten von Vorteil wäre.

Direkte Wirkstoffverabreichung

Anstelle reiner Wachstumsfaktoren (ohne Matrix), überträgt man die entsprechenden Gene, und zwar eingebaut in Plasmide. Wenn Zellen die Plasmide aufnehmen, lesen sie die eingebaute genetische Information ab, als sei es ihre eigene. Daraufhin produzieren sie Wachstumsfaktoren, die sie in ihre Umgebung abgeben. Da die aufgenommene Plasmid-DNA nicht Bestandteil der eigenen Chromosomen ist, sondern frei im Zellkern triftet, wird sie im Laufe der Zeit abgebaut und die Produktion von Wachstumsfaktoren kommt wieder zu erliegen. Bei Tieren ist es auf diesem Wege gelungen, die Neubildung von Knochen zu stimulieren.

Kombination von Plasmiden und Polymergerüsten

Eine synthetische Matrix kann nicht nur als Grundgerüst für das neuzubildende Gewebe, sondern auch als Plasmid-Reservoir dienen. Es wurden bereits dreidimensionale, resorbierbare Polymergerüste, die mit Plasmiden versehen waren, im Tierversuch erprobt.

Wie sich zeigte, nehmen einwandernde Zellen die DNA auf und produzieren die gewünschten Wachstumsfaktoren.. Diese Technik ermöglicht es, die Neubildung von Gewebe präziser zu kontrollieren.

Behebung von Hautdefekten und Knorpelschäden

Eine Methode, die schon bei einigen Patienten mit Defekten von Haut und Knorpel angewandt werden, wird im Folgenden beschieben:

Isolierte Zellen werden in Kultur vermehrt und dann auf einer vorgeformten Matrix, gewöhnlich aus synthetischen Polymeren oder aus dem natürlichen Bindegewebe-Protein Kollagen aufgebracht. Sie dient nicht nur als Träger, sondern auch als Platzhalter und Leitstruktur für das neue Gewebe.

Modellierung mit Knorpel

Knorpelgewebe benötigen nur wenig Nährstoffe und müssen deshalb nicht über einsprossende Blutgefäße versorgt werden. Dies ist vorteilhaft für eine rasche Entwicklung von Knorpel- Implantaten.

Knorpel-Implantate, die aus patienteneigenen Zellen hergestellt worden sind, sollen zum Beispiel bei unfallbedingten Schäden an der Gleitfläche im Kniegelenk eingesetzt werden.

Die Knorpelzellen werden dazu, wenn möglich, aus dem verletzten Knie gewonnen, im Labor vermehrt und während eines zweiten Eingriffs an die defekte Stelle verpflanzt. Je nach Patient und Ausmaß des Schadens dauert die Regeneration 12 - 18 Monate.

Es ist auch schon gelungen, im Körper von Tieren Neo-Knorpel auf Gerüsten in Form menschlicher Nasen und Ohren, aber auch in anderer Gestalt wachsen zu lassen.

Weniger naheliegend ist ein neuartiger Ansatz, der zur Behandlung urologischer Erkrankungen entwickelt wurde. Man prüft derzeit, ob patienteneigene Knorpelzellen nach ihrer Vermehrung im Labor die Harnwege an kritischen Stellen verstärken können. Man verspricht sich davon Hilfe bei Harn-Inkontinenz , sowie bei kindlichen Harnreflux (Rückfluss des Urins ins Nierenbecken).

Beiden Erkrankungen liegt oftmals ein schwacher Muskeltonus zugrunde. Bei Erwachsenen wird manchmal Kollagen (Eiweiß, das den wichtigsten Bestandteil des Stütz- und Bindegewebes bildet) zur Verstärkung der Harnröhre eingesetzt. Es erfüllt die gleiche Funktion wie die Knorpelmasse, wird aber leider vom Körper wieder abgebaut. Mit der neuen Behandlungsmethode wären nur minimal invasive Operationstechniken notwendig, um die Knorpelzelle am jeweiligen Zielort zu platzieren.

Mit den Prinzipien der Ersatzteilzüchtung wird derzeit auch ein bedeutendes frauenmedizinisches Problem angegangen, der Wiederaufbau der weiblichen Brust nach einer Tumoroperation. Es wird versucht mit dem Zellmaterial aus dem Oberschenkel oder dem Gesäß der Patientinnen Ersatzgewebe für die Rekonstruktion der weiblichen Brust zu züchten.

Der Vorschlag der Wissenschaftler lautet: Aus der Gewebeprobe geeignete Zellen zu isolieren, außerhalb des Körpers zu vermehren, in eine passende resorbierbare Matrix einzulagern und in das verbliebene Brustgewebe einzusetzen. Im Körper sollen sich die Zellen dann weiter vermehren und nach der Resorption des Gerüstmaterials ein neues, natürliches Gewebe ausbilden. Die entstandene Weichteilmasse hätte zwar dann nicht die gleiche komplexe Architektur wie das Drüsengewebe der weiblichen Brust, trotzdem wäre diese Methode eine geeignete Alternative zu Brustimplantaten oder Prothesen aus Fremdmaterial. Erfolge mit Tiermodellen menschlicher Krankheiten lassen darauf hoffen, dass es eines Tages möglich sein wird, große Neo-Organe aus einem oder mehreren Zelltypen herzustellen. Erst kürzlich ist es gelungen, mit Hilfe verpflanzter Zellen aus dem Knochenmark, auf bioabbaubaren Polymergerüsten neues Knochengewebe zu züchten. An einen Knochendefekt transplantiert, können übertragene Zellen gleich an Ort und Stelle Wachstumsfaktoren produzieren - eine neue Methode um regenerationsfördernde Substanzen zu verabreichen.

Bildung von Blutgefäßen in gezüchteten Geweben

Wie bereits erwähnt, brauchen alle Gewebestrukturen, ab einer gewissen Größe eine eigene Blutversorgung. Um dies zu gewährleisten, müsste, man eventuell die dafür benötigten Typen von Zellen zusammen mit Wirkstoffen transplantieren, die eine Angiogenese anregen. Solche Moleküle ließen sich in eine Polymermatrix mit einbauen. Alternativ ist es möglich, in Neo- Organen bereits vor der Verpflanzung ein Gefäßnetz anzulegen, in dem man Zellen in das Gerüst einbringt, die Blutgefäße zu bilden vermögen. Diese müssten dann nur noch Anschluss an die Gefäße der Umgebung finden.

Vakularisierte Knochen für die Rekonstruktionschirugie

Es wurde bereits erforscht und bewiesen, dass transplantierte Gefäßwandzellen tatsächlich solche Verbindungen zwischen den Blutgefäßen herstellen: Die neuen Gefäße bestehen zum Teil aus implantierten und zum Teil aus körpereigenen Zellen. Die Methode könnte jedoch versagen, wenn die körpereigenen Blutgefäße im Bereich der vorgesehen Stelle infolge einer Krebsbehandlung oder einer Verletzung geschädigt sind. Dann müsste das Implantat erst an einer anderen Körperstelle weitergezüchtet werden, wo die Bedingungen für das Einsprossen von Gefäßen günstiger sind.

Ist zum Beispiel bei Mundhöhlenkrebs ein entfernter Kieferknochen zu ersetzen, hat aber die zusätzliche Strahlentherapie die umliegenden Gefäße geschädigt, dann ließe sich ein Ersatzknochen zunächst angeschlossen an den gut durchbluteten Hüftknochen ziehen, und erst nach ausreichender Gefäßbildung (Vakularisierung) in die Mundhöhle verpflanzen.

Verfahren für die Züchtung gewünschter Zellen und Geweben

Noch kennen die Wissenschaftler wenige der biochemischen Signale, die embryonale Stammzellen beziehungsweise spezialisierte Vorläuferzellen aus dem Organismus die Differenzierungsrichtungen vorgeben. Auch ist es beispielsweise bislang nicht gelungen, reine Kulturen von Stamm- und Vorläuferzellen aus Knochenmark anzulegen; sie sind stets mit Bindegewebszellen wie Fibroblasten verunreinigt. Diese stellen ein produktionstechnisches Problem dar: Da sich Fibroblasten sehr rasch teilen, können sie die eigentliche Kultur überwuchern.

Zur Anzucht von Geweben sind große Mengen von Zellen vonnöten. Die bisherigen, verbesserungswürdigen Verfahren arbeiten mit sogenannten Bioreaktoren, die mit einem Rührwerk ausgestattet sind; über Sensoren regeln sie die Nährstoffmengen, die Zufuhr und die Ableitung von Gasen wie Sauerstoff und Kohlendioxid, sowie die Beseitigung von Abfallprodukten. Leider ist die Zellausbeute häufig zu gering, oder die Gewebsschichten werden nicht dick genug.

Neue Lösungen zeichnen sich jedoch ab. Seit mehreren Jahren versuchen Forscher Knorpelschichten in einer Dicke heranzuzüchten, die sich für medizinische Zwecke eignet - zum Beispiel als Ersatzsubstanz im Kniegelenk. Aber sobald die Schicht in der Kultur eine gewisse Dicke erreichte, verhungerten die Chondrocyten (Knorpelzellen) in ihrem Innern: sie sind dort außer Stande, Nährstoffe und Sauerstoff aufzunehmen, Abfallstoffe auszuscheiden oder auf wachstumsfördernde Substanzen und physikalische Signale zu reagieren. Deshalb werden zur Anzucht der knorpelbildenden Zellen dreidimensionale Polymergerüste verwendet. Dank dem relativ lockerem Maschenwerk und der Rührbewegung des Bioreaktors setzen sich die Zellen überall gleichmäßig am Gerüst fest, und die Kulturflüssigkeit umspült sie ständig.

Die mechanischen Eigenschaften von Geweben

Viele Gewebe verändern auf Belastung hin, wie Zug oder Druck, ihre Gesamtorganisation; sie bilden sich um. Wird Knorpel zum Beispiel in rotierenden Behältern gezüchtet, die ihn während seiner Entwicklung wechselnden Kräften durch die bewegte Flüssigkeit aussetzt, so wird er dicker. Außerdem enthält das Gewebe mehr Kollagen und Proteine, die sich außerhalb der Zellen zu einer natürlichen Matrix vernetzen, auf der die Zellen wachsen und sich zu Geweben organisieren können. Die sogenannten Matrixproteine verleihen ihm mehr Festigkeit, machen ihn haltbarer und lassen ihn physiologisch besser auf äußere Kräfte ansprechen.

Ähnliche Effekte können auch beobachtet werden, wenn Osteoblasten auf einem Substrat aus Kollagenkügelchen in einem Bioreaktor, der sie permanent umwälzt und bewegt, gezüchtet werden. Die Zellen produzieren auf diese Weise mehr Knochenmineralien als bei der Zucht in flachen feststehenden Schalen.

Um die Eigenschaften kleiner gezüchteter Arterien zu verbessern, muss das Kulturmedium wie beim Herzschlag in regelmäßigen Schüben durch die Geweberöhrchen pumpen, um sie an die unter "natürlichen" Bedingungen herrschenden Blutdruckschwankungen zu "gewöhnen". Genauso müssen die Gewebe der Muskel- und Skelettmuskulatur durch physikalische Belastung trainiert werden .

Die Steuerung des Zellverhaltens

Lebende Systeme sind unglaublich komplex und daher äußerst schwer zu steuern. Die

menschliche Leber beispielsweise enthält sechs verschieden Arten von Zellen, die sich zu mikroskopisch kleinen Leberläppchen zusammenschließen. Jede einzelnen Zelle kann hunderte von verschiedenen biochemischen Reaktionen durchführen. Ihre Aktivitäten hängen überdies in vielen Fällen von Wechselwirkungen mit anderen Zellen sowie mit der Matrix ab, dem Gewebegerüst außerhalb der Zelle. Die Haftfestigkeit des Materials, auf dem Heptacyten (Leberzellen) wachsen, beeinflusst beispielsweise, wie viel sie von einem gegebenen Protein herstellen. Um Organe wie eine transplantierbare bioartifizielle Leber heranzubilden - eines der Hauptziele - ist erst einmal genauer zu klären, welche Bedingungen Hepacyten und andere Leberzellen brauchen, damit sie ihre Aufgaben im Körper überhaupt optimal erfüllen können.

Der Ersatz des Ersatzes

In den meisten erfolgreichen Labortests mit bio-künstlichen Geweben regte das Transplantat beim Empfänger das Wachstum körpereigener Zellen und Geweben an, die mit der Zeit die künstlichen Polymere und die eingebrachten Zellen ersetzten. Diesen Prozess bezeichnet man als "körpereigene Transplantatanpassung" oder auch Remodeling.

Ein Beispiel hierfür bietet eine Herzklappe aus künstlichen Polymeren bestückt mit Epithelzellen und Myofibroblasten von Schaf, eine Zellart, die zur Schließung von Wunden beiträgt. Nach der Transplantation in ein Schaf wurde sie mechanisch belastbarer, elastischer und dünner. Nach elf Wochen waren die synthetischen Polymere bereits verschwunden: Das Gewebeblättchen enthielt nur noch schafeigene Bestandteile der außerzellulären Matrix.

Welche biochemischen Signale und Wachstumsfaktoren diesen Vorgang lenkten, ist allerdings noch weitgehend unbekannt.

Neue Konservierungsmethoden

Neue Konservierungsmethoden sind gefragt, damit gezüchtete Organe und Gewebe den Weg vom Produktionsort in den Operationssaal gut überstehen und während der Transplantation nicht absterben. Bei der Entwicklung helfen Technologien und Erfahrungen auf dem Gebiet der herkömmlichen Organverpflanzung weiter: ein Großteil der Schäden am Spenderorgan entsteht während der Reperfusion, wenn es an die Blutversorgung des Empfängers angeschlossen wird. Dabei bilden sich freie Sauerstoffradikale und durchlöchern regelrecht die Membran der Zellen, sodass diese absterben. Zur Verhinderung solcher Reperfusionsschäden setzen Chirurgen vor der Transplantation der Konservierungslösung Radikalfänger zu. Deren Leistungsfähigkeit muss noch verbessert werden, ebenso die von Molekülen, die das Geweben vor den Folgen einer mangelhaften Durchblutung schützen. Ferner sind die gegenwärtig bei Zellen verwendeten Methoden der Gefrierkonservierung erst für größere Gewebe weiterzuentwickeln, damit sich bio-künstliche Organe und Gewebe in gefrorenem Zustand bis zu ihrer Verwendung aufbewahren lassen.

Genbanken

Um die Eigenschaften der Stammzellen zu erforschen, legten die Wissenschaftler Genbanken der Blutstammzellen von Mäusen und der Gene der Blutzellen der Mäuse an, die sich aus ihnen entwickelt haben. Dann wurden die Ergebnisse der beiden Kataloge voneinander abgezogen um dadurch den Genen auf die Sput zu kommen, die spezifisch in den Stammzellen aktiv sind. Durch die Analyse der DNA-Sequenzen in der "subtrahierten" Version und dem Vergleich mit den Sequenzen von anderen Genen und Proteinen sind die Wissenschaftler auf etwa 2000 Genen gestoßen, die in Stammzellen aktiv sind. Das ist nicht wenig, wenn man bedenkt, dass Menschen möglicherweise nur durch 40000 Gene charakterisiert sind, und weist zumindest darauf hin, dass auch die Züchtung von Zelllinien aus Stammzellen kein einfacher Vorgang sein dürfte.

Vorläuferzellen

Einen direkteren Zugang als die erst kürzlich identifizierten Stammzellen zum gewünschten Zelltyp bieten sogenannte Vorläuferzellen aus den verschiedenen Geweben. Da nur teilweise spezialisiert, können sie noch mehrere Typen von Zellen nachliefern. Zum Beispiel lassen sich aus dem Knochenmark Vorläuferzellen gewinnen, die sich im Labor dazu bringen lassen, entweder Knochenbildende Osteoblasten oder knorpelbildende Chondrocyten zu bilden. Bislang wurden schon aus der Leber Erwachsener kleine ovale Vorläuferzellen isoliert; unter den richtigen Bedingungen entwickeln sich aus ihnen in Kultur entweder reife Leberzellen, die Gallensaft produzieren und Giftstoffe abbauen, oder Innenwandzellen für Gallengänge.

Embryonale Keimzellen

Medizinisch vielversprechend sind auch diese Zellen, die sich aus den Vorläuferzellen der Keimzellen ableiten. Obwohl sie aus Feten stammen, bezeichnet man sie als embryonale Keimzellen. Auch sie sind pluripotent, in Kultur entstehen aus ihnen Zellen, die für alle drei Keimblätter charakteristisch sind.

Alle angesprochenen Zellen wären wahrscheinlich als Einzelzellen, als Suspension, therapeutisch nutzbar. Sie müssen sich nicht selbst zu präzise strukturierten, vielzelligen Verbänden organisieren, um eine wertvolle Funktion im Körper auszuüben. Das erleichtert ihren Einsatz, denn die Bildung eines Organs ist ein komplexer, in drei Dimensionen ablaufender Vorgang. Im Allgemeinen kommen Organe durch Wechselwirkung zweier zunächst unterschiedlicher Embryonalgewebe zu Stande. Lungen zum Beispiel entstehen, wenn Zellen des mittleren Keimblatts mit denen des embryonalen Vorderarms in Kontakt treten. Dessen Zellen bilden daraufhin astartige Strukturen, aus denen schließlich die Atemorgane hervorgehen.

Die Funktion von Stammzellen und Vorläuferzellen am Beispiel der Entwicklung von Sinnesorganen bei der Drosophila

Bei der Drosophila kann man die Sinnesorgane leicht auf Grund ihrer Lage identifizieren. Das erleichtert eine Mutationsanalyse.

Am Anfang steht eine Stammzelle, die aus dem Ektoderm auswandert. Wird in dieser Zelle das cut-Gen aktiviert, so wird aus ihr eine Vorläuferzelle für einen äußeren Sinneszelltyp (sie kann noch in drei Typen differenziert werden). Wird das cut-Gen nicht aktiviert, so wird aus ihr automatisch eine Vorläuferzelle für ein Chordatonalorgan (Sinnesorgan bei Insekten zur Wahrnehmung von Vibrationen und Schall). Wird nun in der Vorläuferzelle für äußere Sinnesorgane das poxn-Gen aktiviert, so differenziert sie sich zu einem chemosensorischen Organ, andernfalls wird aus ihr eine Vorläuferzelle für ein mechanosensorisches Organ.