Mäuse-"Embryo" aus Stammzellen

Aus Stammzellen gezüchteter Mausembryo nach 72 Stunden (Foto: Berna Sozen-Kaya/ University of Cambridge)

Wie sich die ersten Schritte auf dem Weg von der befruchteten Eizelle zum voll entwickelten Embryo auf molekularer Ebene vollziehen, ist für Forscher noch immer rätselhaft. Interessante Einblicke in diese Vorgänge liefert nun eine Arbeit britischer Wissenschaftler: Sie haben aus zwei Arten von embryonalen Mäusestammzellen Embryo-ähnliche Strukturen kreiert. Von einem echten Embryo unterscheiden sich diese Gebilde nach Meinung von Experten zwar noch deutlich. Trotzdem könnten sie wertvolle Erkenntnisse über die frühe Entwicklung von Säugetieren und Mensch liefern.

Startschuss für ein neues Leben: Wird eine Eizelle durch ein Spermium befruchtet, beginnt ein faszinierender Prozess. Durch fein orchestrierte Zellteilungen der als Zygote bezeichneten Frucht entsteht zunächst eine kugelförmige Ansammlung von Stammzellen, aus der sich schließlich ein menschliches Wesen entwickelt. Doch wie genau läuft die frühe Morphogenese und Differenzierung der ersten embryonalen Zellen auf molekularer Ebene ab? Antworten auf diese Frage versuchen Wissenschaftler weltweit durch intensive Forschung an Mäusen und Primaten zu erlangen. Die Hoffnung: Sind die Anfänge der Embryonalentwicklung von Säugetieren erst einmal verstanden, könnten sich wichtige Rätsel um die Zeit im Mutterleib lösen lassen: Warum etwa scheitern mehr als zwei von drei Schwangerschaften beim Menschen genau in diesem frühen Stadium? Welche Faktoren führen zu Geburtsfehlern, welche zu einem gesunden Kind?

Um den Prozess der embryonalen Entwicklung nachvollziehen zu können, haben sich Forscher in den vergangenen Jahren immer wieder daran versucht, aus embryonalen Stammzellen im Labor Embryo-ähnliche Strukturen zu kreieren. Einem Team um Sarah Harrison von der University of Cambridge ist dies nun offenbar gelungen. Die Wissenschaftler ahmten in vitro die frühe Gestaltbildung des Embryos bei Mäusen nach, indem sie zwei Arten von embryonalen Stammzellen verwendeten: gentechnisch veränderte embryonale Stammzellen und embryonale Hüllzellen, aus denen normalerweise die Plazenta entsteht.

Stammzellen kommunizieren

Die Forscher zeigten, dass sich diese Zellen in einem dreidimensionalen Stützgerüst selbstständig weiterentwickeln - zu embryonalen Gebilden, die natürlichen Embryonen einige Tage nach der Einnistung in die Gebärmutter ähneln sollen. "Beide Stammzelltypen begannen miteinander zu kommunizieren und organisierten sich zu Strukturen, die wie ein Embryo aussahen und sich auch so verhielten", berichtet Harrisons Kollegin Magdalena Zernicka-Goetz. Erstaunlich für das Team war dabei, wie stark die Kommunikation zwischen den Zellen ausgeprägt war: "Wir wussten bereits, dass Interaktionen zwischen den unterschiedlichen Arten von Stammzellen für die Entwicklung wichtig sind. Aber bemerkenswert ist, dass es sich um eine echte Partnerschaft zu handeln scheint - diese Zellen leiten sich tatsächlich an", sagt Zernicka-Goetz. "Ohne diese Verbindung läuft die Gestaltbildung und die pünktliche Aktivierung biologischer Schlüsselmechanismen nicht korrekt ab."

Die Zellen entwickelten sich in der Petrischale nach dem gleichen Muster wie bei einem normalen Embryo. Außerdem fanden die Forscher Hinweise darauf, dass sich in den künstlich erzeugten Embryonen sogar Keimzellen-Vorläuferzellen bilden. Trotzdem habe ihre Kreation wenig mit einem natürlichen Embryo zu tun, meint Hans Schöler vom Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin in Münster, der nicht an der Studie beteiligt war: "Es handelt sich um Aggregate aus zwei Zelltypen, die sich eben auch im Embryo finden. Die gezeigten Gebilde einfach als Embryonen zu bezeichnen grenzt für mich aber an Wunschdenken." Auch sein Kollege Michele Boiani schätzt das ähnlich ein: "Ich warne davor, diese Strukturen als Embryonen zu bezeichnen. Dazu ist es wissenschaftlich betrachtet viel zu früh." Tatsächlich fehlt dem Embryo-ähnlichen Gebilde etwas Entscheidendes, um sich wie sein natürliches Vorbild weiterentwickeln zu können: ein dritter Stammzelltyp, der den sogenannten Dottersack formt und den Organismus mit Nährstoffen versorgt. Ohne ihn kann ein Embryo nach dem derzeitigen Kenntnisstand keine inneren Organe ausbilden und demnach nicht zum Fötus heranwachsen.

Vom Organ zum ganzen Embryo

Für die Stammzellforschung bedeuten die Ergebnisse von Harrisons Team dennoch einen weiteren, wenn auch nicht überraschenden Meilenstein: "Unzählige Studien haben bereits gezeigt, dass Stammzellen unter den richtigen Bedingungen in vitro in diverse Zelltypen reifen und dabei auch dreidimensionale Strukturen – sogenannte Organoide – bilden können. Diese sind in ihrem Aufbau diversen Organen sehr ähnlich", sagt der Stammzellmediziner Thorsten Schlaeger vom Boston Children's Hospital. "Geglückt sind solche Organoide bereits für komplexe Organe wie Darm, Niere, Lunge, Auge und Gehirn. Die neue Arbeit zeigt nun, dass dies prinzipiell auch für ganze Embryonen der Fall ist."

Harrison und ihre Kollegen erhoffen sich von ihrer Methode neue Einblicke in die frühe Entwicklungsphase von Säugetieren im Mutterleib. Sie wollen das Verfahren künftig weiter optimieren – und könnten es eines Tages theoretisch auch bei menschlichen Zellen anwenden. "Wir glauben, es wird möglich sein, etliche der Entwicklungsschritte nachzuahmen, die sich in den ersten Tagen nach der Befruchtung vollziehen, ohne mit echten Embryonen arbeiten zu müssen", schließt Harrison.

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