Blutzellen aus dem Labor

Blutzellen und Blutstammzellen in einem Blutgefäß (Grafik: O'Reilly Science Art)
Im Labor gezüchtetete Blutstammzellen unter dem Mikroskop (Foto: Daley Lab)

Bisher ist Blut in der Medizin oft Mangelware: Bei Operationen sind Chirurgen meist auf Blutspenden angewiesen, Patienten mit Leukämie kann oft nur mit Knochenmarksspenden geholfen werden. Doch das könnte sich künftig ändern. Denn Forschern ist es erstmals gelungen, menschliche Blutstammzellen im Labor zu züchten. Auf gleich zwei Wegen erzeugten die Wissenschaftler diese blutbildenden Zellen aus adulten Vorläuferzellen und brachten sie dazu, die verschiedenen Arten von Blutzellen zu produzieren.

Stammzellen gelten als echte "Alleskönner": Diese undifferenzierten Zellen besitzen noch das Potenzial, sich in verschiedene Zelltypen des Körpers zu verwandeln. Mit ihnen könnte man daher zerstörte oder fehlerhafte Gewebe und Zellen im Körper von Patienten ersetzen – so jedenfalls die Hoffnung der Mediziner. Als besonders vielversprechend gelten dabei Stammzellen, die durch eine "Reprogrammierung" aus normalen, ausgewachsenen Körperzellen von Menschen erzeugt werden. Tatsächlich ist es Forschern bereits gelungen, aus solchen Stammzellen menschliche Nervenzellen, Herzmuskelzellen, Haut und sogar eine Vorstufe einer Niere zu züchten. Doch ein wichtiger Zelltyp des Körpers entzog sich bisher diesem Einsatz im Labor: die blutbildenden Stammzellen. Sie produzieren normalerweise im Knochenmark die verschiedenen Zelltypen des Blutes, darunter die roten Blutkörperchen, aber auch verschiedenen Abwehrzellen des Immunsystems. Wenn beispielweise bei einer Leukämie das natürliche Reservoir dieser Blutstammzellen entartet ist, bleibt daher bisher keine andere Möglichkeit, als den Patienten über eine Knochenmarksspende gesunde blutbildende Zellen zu übertragen.

Blutstammzellen auf zwei Wegen

Jetzt jedoch ist es gleich zwei Forschergruppen gelungen, blutbildende Stammzellen im Labor zu züchten und sie zu reifen Blutzellen heranwachsen zu lassen. "Wir sind damit verlockend nahe dran, künftig menschliche Blutstammzellen im Reagenzglas zu erzeugen", sagt George Daley vom Boston Children's Hospital, Leiter einer der beiden Arbeitsgruppen. Er und seine Kollegen kombinierten für ihr Experiment zwei bereits etablierte Methoden. Im ersten Schritt setzten sie induzierte menschliche Stammzellen chemischen Signalen aus, die sie dazu brachten, sich in verschiedene Gewebe und Zelltypen zu differenzieren. Dadurch erzeugten sie auch hämogenisches Endothelium – ein embryonales Gewebe, aus dem später die Blutstammzellen entstehen. Im zweiten Schritt schleusten sie mit Hilfe eines Virus fünf Gene in diese Zellen ein. Diese fünf Transkriptionsfaktoren sorgten dafür, dass sich aus diesen Vorläuferzellen echte, aber noch unreife Blutstammzellen entwickelten.

Um diese Blutstammzellen heranreifen zu lassen und zu testen, ob sie imstande waren, Blutzellen zu produzieren, übertrugen die Forscher sie in das Knochenmark von Mäusen. Einige Wochen später entnahmen sie den Tieren Blutproben und analysierten sie. Das Ergebnis: Im Blut der Mäuse ließen sich tatsächlich kleine Mengen verschiedener menschlicher Blutzellen nachweisen. Neben Roten Blutkörperchen und deren Vorläuferzellen fanden die Wissenschaftler auch Vorläufer von Blutplättchen, Fresszellen und verschiedenen Lymphozyten, wie sie berichten. "Die Produktion von funktionsfähigen blutbildenden Stammzellen aus pluripotenten Vorläuferzellen ist ein lange angestrebtes Ziel der Hämatologie", konstatieren Daley und seine Kollegen. Jetzt habe man den Weg dahin gefunden.

Die zweite Forschergruppe um Raphael Lis von Weill Cornell Medicine in New York erzeugte die Blutstammzellen noch direkter: Sie generierten sie aus ausgewachsenen Zellen der Aderwand von Mäusen. Durch einen ganz ähnlichen Cocktail von Transkriptionsfaktoren verwandelten sie diese voll ausdifferenzierten Zellen zurück in unreife Blutstammzellen. Die solcherart reprogrammierten Zellen übertrugen die Wissenschaftler dann in die Aderwand von Empfängermäusen. Auch in diesem Fall produzierten die im Labor gezüchteten und transplantierten Blutstammzellen verschiedene Arten von Blutzellen, wie Lis und seine Kollegen berichten. "Wir haben damit zum ersten Mal die Umwandlung von adulten Endothelzelllen in funktionsfähige multipotente Zellen demonstriert, die normalen Blutstammzelle entsprechen", so die Forscher.

Hoffnung für Leukämie-Patienten

Dieser auf gleich zwei Wegen erzielte Erfolg könnte der Medizin und vor allem der Behandlung von Bluterkrankungen künftig neue Möglichkeiten eröffnen. Denn damit könnte es erstmals möglich werden, beispielsweise Leukämie-Patienten neue, gesunde Blutstammzellen ohne die Notwendigkeit einer Knochenmarksspende zu geben. "Man könnte die Zellen von diesen Patienten nehmen, ihre Defekte mit Hilfe von gentechnischen Methoden beheben und dann aus diesen reparierten Zellen neue Blutstammzellen züchten", erklärt Ryohichi Sugimura vom Boston Children's Hospital. "Dieser Durchbruch gibt uns auch das Potenzial, künftig einen endlosen Nachschub an Blut und Blutstammzellen zu erzeugen. Das könnte den Patienten zugutekommen, die eine Bluttransfusion benötigen."

Bis die Züchtung von maßgeschneiderten menschlichen Blutstammzellen aber zur Routine wird und am Menschen eingesetzt werden kann, sind noch einige Vorarbeiten nötig. So muss geprüft werden, ob die neu gezüchteten Blut- und Blutstammzellen ein erhöhtes Entartungsrisiko aufweisen – und daher möglicherweise ihrerseits Blutkrebs begünstigen könnten. Außerdem sind bislang noch Viren als Genfähren für die Transkriptionsfaktoren nötig. Diese jedoch neigen dazu, ihre Genfracht auch dort ins Erbgut einzubauen, wo es nicht erwünscht ist. Ziel der Wissenschaftler ist es daher, künftig diese Gene mit präziseren Methoden wie beispielsweise der Genschere CRISPR/Cas9 einzuschleusen. Dennoch sehen auch nicht beteiligte Forscher in den beiden Studien einen wichtigen Durchbruch: "Dieser Erfolg eröffnet nicht nur aufregende Möglichkeiten auf dem Gebiet der Blutbildung, er repräsentiert auch einen Meilenstein für die Stammzellforschung", schreiben Carolina Guibentif und Bertold Göttgens von der University of Cambridge in einem begleitenden Kommentar.

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