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Gesundheit+Medizin

Behaarte Haut aus Stammzellen

Haut
Modell des Hautaufbaus. (Bild: 7activestudio/ iStock)

Die Haut ist ein extrem komplexes Organ – und daher schwer zu züchten. Doch nun ist es Forschern gelungen, menschliche Haut mitsamt Haaren aus Stammzellen im Labor zu erzeugen. Aus den noch undifferenzierten Ausgangszellen bildete sich erst ein rundliches „Organoid“, dann entwickelten sich die verschiedenen Hautzelltypen und Hautschichten. Im Experiment gelang den Wissenschaftlern bereits die Transplantation dieser Haut auf Mäuse. Diese behaarte „Haut aus der Petrischale“ könnte ein wichtiger Schritt für die Heilung von Verbrennungsopfern, aber vielleicht auch für kahle Köpfe sein.

Wissenschaftlern ist es inzwischen schon gelungen, eine ganze Reihe von Geweben und Organen im Labor zu züchten, darunter Miniaturversionen von Herzen, Nieren oder sogar dem Gehirn. Doch die menschliche Haut bereitet bisher größere Schwierigkeiten – vor allem wegen ihrer großen Komplexität. Sie umfasst drei verschiedene Gewebeschichten mit jeweils ganz unterschiedlichen Aufgaben und Zellbestandteilen. Zudem sind in ihr auch Haarfollikel, Schweißdrüsen, Nervenenden und Blutgefäße eingebettet. Im Embryo bilden sich diese Zellen und Gewebeschichten teilweise aus unterschiedlichen Vorgängerzellen, was die Zucht im Labor erschwert. Dennoch ist es einem Forscherteam im Jahr 2016 erstmals gelungen, eine komplette Haut samt Haaren aus den Stammzellen von Mäusen zu erzeugen. Der Beleg, dass dies auch mit menschlichen Stammzellen und damit menschlicher Haut funktioniert, stand jedoch noch aus.

Von Stammzellen zum geschichteten Haut-Organoid

Jetzt liefern Jiyoon Lee von der Harvard Medical School in Boston und seine Kollegen diesen Beweis. Sie haben nahezu vollständige menschliche Haut mitsamt Haarfollikeln, Talgdrüsen und Nervenzellen aus Stammzellen gezüchtet und erfolgreich auf Mäuse transplantiert. „Dies ist die erste Studie, die zeigt, dass auch menschliche Haare aus Stammzellen in einer Petrischale gezüchtet werden können – dies ist seit Jahrzehnten ein Ziel der Hautbiologen“, erklärt Lees Kollege Karl Koehler. Ausgangspunkt des Experiments waren embryonale menschliche Stammzellen, die noch die Fähigkeit besitzen, sich in nahezu alle Zelltypen des Körpers zu entwickeln – sie sind pluripotent. Diese Stammzellen setzten die Forscher in einer spezielle Nährlösung, der sie nacheinander verschiedene Wachstumsfaktoren zusetzten. Zunächst kamen Botenstoffe hinzu, die die Differenzierung der Stammzellen in die Epidermis und ihre Zelltypen anstießen, dann folgten Wachstumsfaktoren, die die Entwicklung der Lederhaut (Dermis) und ihrer Strukturen förderten.

Nach etwa 70 Tagen war aus der Zellkultur ein rundlicher Klumpen herangewachsen, der bereits aus der Oberhaut, der Dermis und dem Unterhautfettgewebe bestand. Im Laufe der folgenden Wochen entwickelten sich dann in diesem Organoid erste Haarfollikel, aus denen Haar sprossen. „Wenn die Haarfollikel wachsen, ragen die Haarwurzeln zunächst strahlenförmig nach außen aus dem Organoid heraus“, erklärt Koehler. „Das sieht bizarr aus, fast ein wenig wie eine Tiefsee-Kreatur mit Tentakeln.“ Im weiteren Verlauf der Reihung entwickelten diese Haarfollikel auch Pigmente und ordneten sich in einem relativ regelmäßigen Abstand voneinander an. Parallel dazu differenzierten sich einige Stammzellen zu Nerven- und Sinneszellen aus. „Ab den Tag 125 wuchsen diese neuronalen Fortsätze bis zum Epithel und wanden sich um die Haarfollikel, ähnlich den noch unreifen Nervenenden eines menschlichen Fötus mit 18 Wochen“, berichten die Forscher. Gentests ergaben, dass auch die Genaktivität der verschiedenen Zellen in diesen Hautorganoiden der der fötalen Haut ähnelte.

Transplantation auf Mäuse erfolgreich

„Damit haben wir ein Kultursystem für Organoide entwickelt, das komplexe menschliche Haut aus pluripotenten Stammzellen erzeugen kann“, konstatieren Lee und seine Kollegen. Um zu testen, ob diese Haut-Organoide auch zu dauerhaft lebensfähiger Haut werden, pflanzten sie Mäusen millimeterkleine Stückchen dieser geschichteten Zuchthaut ein. Vor dieser Transplantation wurde das Immunsystem der Mäuse stark gedrosselt, damit es nicht zu einer Abstoßungsreaktion der menschlichen Gewebe kam. Nach kurzer Zeit waren die Hautstückchen eingewachsen und reiften zu einer echten Haut heran. Bei 55 Prozent der Transplantate blieben die Haarfollikel intakt und produzierten wachsende Haare, wie die Forscher berichten. „Unserer Ergebnisse demonstrieren, dass zystische Haut-Organoide sich entrollen können und zu ebener Haut beispielsweise an einer Wundstelle werden“, so Lee und sein Team.

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Sollten die Hauttransplantate auch langfristig erfolgreich eingewachsen bleiben und sich regenerieren, könnte eine solche „Zuchthaut“ ganz neue Chancen für die Behandlung von Hautverletzungen und Hautkrankheiten bieten. „Dies könnte die Art und Weise verändern, wie wir viele Wunden und plastische Rekonstruktionen angehen“, sagt Co-Autorin Taha Shipchandler von der Indiana University. „Das hätte einen profunden Effekt auf dieses Gebiet der Medizin.“ Ähnlich sehen dies Leo Wang und George Cotsarelis von der University of Pennsylvania in Philadelphia. In einem begleitenden Kommentar schreiben sie: „Die Studie von Lee und Kollegen ist ein großer Schritt hin zu einer ‚Kur‘ für Kahlheit beim Menschen und sie ebnet den Weg hin zu anderen, noch größeren Therapiemöglichkeiten.“ Wichtig zur Optimierung der Methode sei es nun, diese Hautzucht auch mit induzierten, aus adulten Zellen erzeugten Stammzellen durchführen zu können. Denn embryonale Stammzellen sind ethisch umstritten und nur in geringem Maße verfügbar.

Quelle: Jiyoon Lee (Harvard Medical School, Boston) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-020-2352-3

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