Stammzellen: Wunder der Selbstheilung und der Jugend

Jeden Tag erneuert sich unser Körper auf leisen Sohlen. Die Darmschleimhaut zum Beispiel tauscht alle drei bis fünf Tage ihre Zellen aus. Auch die Leber ist ein Meister der Regeneration: In etwa einem Jahr wird sie durch kontinuierlichen Zellnachschub vollständig erneuert. Selbst verletzte Haut zieht sich wieder zu, Knochen wachsen nach – Heilkräfte, die uns selbstverständlich erscheinen und Wissenschaftler zugleich seit langem staunen lassen. Diese erstaunliche Fähigkeit zur Selbstheilung bildet die Grundlage der regenerativen Medizin. Statt lediglich Symptome zu lindern oder geschädigte Organe durch Transplantate zu ersetzen, will diese Disziplin den Körper anregen, sich selbst zu reparieren – oder fehlende Zellen direkt zu ersetzen, um Heilung zu ermöglichen. Im Zentrum stehen dabei Stammzellen: ursprüngliche Zellen, die sich in verschiedene Gewebe entwickeln können.

 

Um zu verstehen, wo diese regenerativen Helfer herkommen, lohnt ein Blick in unsere embryonale Vergangenheit. In der dritten Entwicklungswoche geschieht etwas Erstaunliches: Aus einer einfachen Zellkugel bildet sich eine dreischichtige Struktur – ein früher Embryo mit Ektoderm, Mesoderm und Endoderm. Diese drei Keimblätter sind der Bauplan für den gesamten Körper. Das äußere Ektoderm forms Haut und Nervensystem; das mittlere Mesoderm bringt Knochen, Muskeln, Blut und Gefäße hervor; und das innere Endoderm bildet die meisten inneren Organe von der Lunge über Leber und Bauchspeicheldrüse bis zum Darm. Obwohl sich die meisten Zellen im Laufe der Entwicklung spezialisieren, behalten einige eine Art Erinnerung an diese frühen Möglichkeiten – adulte Stammzellen, die in vielen Geweben des ausgereiften Körpers verbleiben. Sie sind wie stille Wächter der Regeneration, oft im Ruhezustand, aber bereit, einzuspringen, wenn Gewebe repariert werden müssen.

 

Lange dachte man, das Gehirn erwachsener Menschen könne keine neuen Nervenzellen bilden. Doch in zwei versteckten Regionen unseres Gehirns findet tatsächlich ein Leben lang leise Neurogenese statt. Tief in den Hirnkammern (den Ventrikeln) sowie im Hippocampus – einem Zentrum für Gedächtnis und Stimmung – entstehen aus neuronen Stammzellen immer wieder neue Neuronen. Diese Zellen tragen charakteristische Proteine wie Nestin oder Sox2, woran Forscher sie als Stammzellen erkennen. Interessanterweise steht die Bildung neuer Nervenzellen im Hippocampus in Zusammenhang mit der Gedächtnisleistung und der seelischen Verfassung: Nimmt die Neurogenese im Alter ab, leiden Lernvermögen und Stimmung.

 

Die Existenz dieser neuronalen Reservoirs weckt Hoffnung. In Tierexperimenten konnten transplantierte neurale Stammzellen Erstaunliches leisten: Nach experimentellen Schlaganfällen bei Ratten regten menschliche Vorläuferzellen im Gehirn die Bildung neuer Nervenzellen und sogar von Blutgefäßen an. Andere Studien zeigen, dass Stammzellen im zentralen Nervensystem Entzündungen dämpfen können – ein Effekt, der etwa nach Hirnverletzungen hilfreich sein könnte. Forscher gehen sogar einen Schritt weiter: Sie modifizieren neurale Stammzellen genetisch, damit sie fehlende Botenstoffe produzieren. So hat man beispielsweise menschliche Stammzellen mit dem Gen für ein bestimmtes Enzym ausgestattet, das den wichtigen Neurotransmitter Acetylcholin herstellt. Transplantiert man diese Zellen in das Gehirn alternder Ratten, steigt der Acetylcholinspiegel und mit ihm die Gedächtnisleistung und körperliche Aktivität der Tiere. Solche Ergebnisse lassen ahnen, welches therapeutische Potenzial in den verborgenen Stammzellen unseres Gehirns steckt.

 

Doch nicht nur im Gehirn, auch in der Haut erneuern Stammzellen fortwährend unser Gewebe. Die Epidermis, unsere oberste Hautschicht, besteht aus ständig nachwachsenden Zellen. In der Tiefe liegen Hautstammzellen (basale Keratinozyten), die sich teilen und so alle paar Wochen eine komplett neue Oberhaut erzeugen. Wenn diese Basalzellen sich von der Membran lösen, hören sie auf, sich zu teilen, wandern an die Hautoberfläche und verhornen zu Schüppchen, die wir kontinuierlich abschilfern – so bleibt die Haut immer erneuert. Bei Verletzungen treten diese Stammzellen in Aktion, um Wunden zu schließen. Doch bei großen oder chronischen Wunden reicht die körpereigene Reparatur mitunter nicht aus. Hier suchen Mediziner nach Wegen, die Heilung zu beschleunigen. In einer Studie wurde Patienten mit schlecht heilenden Hautgeschwüren ein Spray aus körpereigenen Knochenmark-Stammzellen aufgetragen – mit Erfolg: Innerhalb weniger Monate schlossen sich die Wunden vollständig und es bildete sich gesundes neues Gewebe. Solche Ergebnisse zeigen eindrucksvoll, wie man die Selbstheilungskraft der Haut mit zusätzlichen Stammzellen verstärken kann.

 

Während das Ektoderm die Grundlage für Haut und Nerven liefert, ist das Mesoderm der Ursprung für alles dazwischen: Knochen, Knorpel, Muskeln, Blutgefäße – und natürlich das Blut selbst samt Immunsystem. In all diesen Geweben gibt es Stammzellen, die laufend Zellen erneuern oder bei Bedarf zur Reparatur beitragen. Bereits vor Jahrzehnten entdeckten Forscher im Knochenmark einen besonderen Zelltyp, der in der Petrischale Knochen-, Knorpel- und Fettzellen hervorbringen kann. Diese mesenchymalen Stammzellen (MSC) wurden wegen ihrer Herkunft aus dem embryonalen Mesoderm so benannt – ein Begriff, über den zwar diskutiert wird, der aber ihre Vielseitigkeit andeutet. MSC zeichnen sich nicht nur durch Mehrseitigkeit aus, sondern auch durch bemerkenswerte Fähigkeiten, Entzündungen zu regulieren und das Immunsystem zu beeinflussen. Sie kommen in vielen Geweben vor, besonders reichlich im Knochenmark und im Fett, und gelten heute als vielversprechende Allrounder der regenerativen Medizin.

 

In klinischen Studien werden MSC bereits getestet – mit teils überraschenden Resultaten. Bei Patienten mit der Nervenkrankheit ALS zum Beispiel führte die Injektion eigener Knochenmark-MSC dazu, dass das Fortschreiten der Krankheit gebremst wurde, ohne gravierende Nebenwirkungen. Und in einer anderen Studie erhielten Herzinfarkt-Patienten während einer Bypass-Operation eine zusätzliche Infusion von MSC ins geschädigte Herzmuskelgewebe. Ein Jahr später zeigte sich: Die behandelten Bereiche des Herzens pumpten wieder kräftiger, und die Patienten litten unter weniger Angina-Pectoris-Beschwerden im Vergleich zu einer Kontrollgruppe. Solche Befunde nähren die Hoffnung, dass MSC helfen können, abgestorbenes Gewebe nach Verletzungen oder bei chronischen Krankheiten zu ersetzen oder zu reparieren. Dennoch stoßen die Zellen auch an Grenzen: MSC können zwar erstaunlich vielseitig differenzieren, aber längst nicht jede Zellart im Körper ersetzen. Zudem nimmt mit steigendem Alter die Zahl und Vitalität dieser Zellen ab – ein Problem, denn gerade ältere Patienten hätten den größten Bedarf an regenerativen Therapien.

 

Einen etablierten Klassiker der Stammzelltherapie stellt das blutbildende System dar. Die hämatopoetischen Stammzellen (HSC) im Knochenmark sind dafür verantwortlich, zeitlebens alle Blutzellen zu erneuern. Seit über 50 Jahren macht man sich diese Fähigkeit in der Medizin zunutze: HSC-Transplantationen (umgangssprachlich Knochenmarktransplantationen) retten jährlich tausenden Menschen mit Leukämien und anderen Bluterkrankungen das Leben. Dabei dienen als Quellen entweder zuvor entnommenes eigenes Knochenmark, die Spende eines passenden fremden Spenders oder das Blut aus der Nabelschnur eines Neugeborenen – letzteres vor allem in der Kinderheilkunde, da eine einzelne Nabelschnur für Erwachsene oft nicht genug Stammzellen liefert. Die transplantierten HSC wandern in das Knochenmark des Empfängers und bauen dort innerhalb weniger Wochen ein neues, gesundes Blut- und Immunsystem auf – ein medizinisches Wunder, das heute beinahe Routine ist.

 

Doch HSC können offenbar mehr als „nur“ Blut bilden. Berichte deuten an, dass sie im Körper erstaunlich flexibel eingesetzt werden können. So wanderte bei einem Kind, das eine Spenderniere erhielt, eine Population von Stammzellen aus dem transplantierten Organ in das Knochenmark des Empfängers und übernahm dort dauerhaft die Blutbildung – der junge Patient wechselte dadurch seine Blutgruppe und wies fortan ein Misch-Blutsystem aus eigenen und Spenderzellen auf. In Tierstudien hat man beobachtet, dass HSC nach Transplantation sogar zu Leberzellen werden können und bei genetisch kranken Mäusen mit Leberversagen das Organ vollständig regenerierten. Für die Reparatur des Herzens wurden HSC ebenfalls untersucht: Die Gabe des Wachstumsfaktors G-CSF, der die körpereigenen Stammzellen aus dem Knochenmark ins Blut lockt, führte in einigen Studien dazu, dass Infarktnarben kleiner ausfielen und sich die Pumpleistung des Herzens leicht verbesserte. Allerdings ist weiterhin unklar, ob HSC tatsächlich aktiv zu funktionellem Herz- oder Hirngewebe beitragen können. Einige vermeintliche Befunde, wonach Knochenmarkzellen sich in Nervenzellen verwandeln, ließen sich nicht reproduzieren. Hier sind weitere Forschungen nötig, um die tatsächlichen Möglichkeiten dieser Stammzellen jenseits des Blutsystems auszuloten.

 

Das dritte Keimblatt, das Endoderm, liefert die Grundlage für zahlreiche innere Organe – vom gesamten Magen-Darm-Trakt über die Atemwege bis zu Leber und Bauchspeicheldrüse. Auch in diesen Organen sorgen spezialisierte Stammzellen für stetige Erneuerung. Der Darm etwa erneuert sein Epithel so schnell wie kein anderes Gewebe. In den Krypten – taschenartigen Einstülpungen der Darmwand – sitzen Darm-Stammzellen, die alle paar Tage neue Epithelzellen hervorbringen. Als besonderen Marker dieser immens teilungsaktiven Zellen haben Forscher das Molekül LGR5 identifiziert. LGR5-positive Stammzellen können sämtliche Zelltypen des Darms erzeugen und gelten als Motor der unablässigen Erneuerung im Verdauungstrakt. Ihre Nachkommen produzieren zuerst Zwischenstufen (Vorläuferzellen), die sich teilen und während der Wanderung an die Darmoberfläche schrittweise zu spezialisierten Zellen ausreifen. Schließlich werden diese ausgereiften Zellen an der Spitze der Darmzotten abgestoßen und durch nachrückende ersetzt – ein Kreislauf, der unsere Verdauung intakt hält.

 

Doch schwere Darmerkrankungen wie chronische Entzündungen (z. B. Morbus Crohn oder Colitis ulcerosa) können die Schleimhaut schneller zerstören, als sie nachwächst. Transplantationen ganzer Darmabschnitte sind kompliziert und risikoreich, nicht zuletzt wegen Abstossungsreaktionen. Hier könnten eines Tages Stammzelltherapien helfen. Erste Versuche an Tieren zeigen bereits die prinzipielle Machbarkeit: So demonstrierten Forscher 1994, dass transplantierte Darmstammzellen in einer Ratte, der man einen Teil der Darm-Schleimhaut entfernt hatte, binnen zwei Wochen eine neue Darmwand wachsen ließen. Und erst vor kurzem gelang ein verblüffendes Experiment: Stammzellen aus dem Darm junger Ratten wurden in ältere, an Schlaganfall leidende Tiere transplantiert – nicht ins Gehirn, sondern in den Darm der Empfänger. Erstaunlicherweise verbesserten die jungen Zellen nicht nur die Reparatur der Darmbarriere, sondern wirkten sich auch positiv auf das Befinden der Tiere aus: Behandelte Alt-Ratten zeigten weniger depressive Symptome und blieben geistig länger fit. Stammzellen von älteren Spendern erzielten diesen Effekt hingegen nicht – ein Hinweis darauf, wie wichtig das biologische Alter der Zellen für ihren Heilerfolg ist.

 

Kaum ein Organ ist so synonym mit Regeneration wie die Leber. Sie kann nach Verletzungen oder Teilentnahmen erstaunlich gut nachwachsen. Heute weiß man, dass auch hier Stammzellen am Werk sind: Im gesunden Organ ersetzen spezielle Leberstammzellen in etwa jährlich alle Leberzellen durch neue. Diese Stammzellnischen sitzen vermutlich in der Nähe der Zentralvene jedes Leberläppchens. Aufgrund ihrer Fähigkeit, sich sowohl zu neuen Leberzellen (Hepatozyten) als auch zu Gallengangszellen zu entwickeln, gelten diese Zellen als idealer Kandidat, um geschädigte Lebersubstanz zu ersetzen – und das ganz ohne die ethischen Probleme embryonaler Zellen. Tatsächlich versuchen Wissenschaftler, die Regenerationskraft der Leberstammzellen für Therapien nutzbar zu machen. In Mausmodellen für akutes Leberversagen zeigten transplantierte menschliche Leberstammzellen eine schützende Wirkung: Sie beeinflussten das Immunsystem so, dass weniger entzündliches Gewebe und Vernarbung entstand. In einem anderen Versuch mit Mäusen, die an chronischer Leberfibrose litten, konnte die wöchentliche Gabe von menschlichen Leberstammzellen verhindern, dass sich die Fibrose zu einer irreversiblen Zirrhose auswuchs – die behandelten Tiere hatten deutlich geringere Fibrosierungsgrade und bessere Leberwerte. Schließlich gibt es auch erste Hinweise beim Menschen: In einer Pilotstudie bekamen 25 Patienten mit schwerer Zirrhose Stammzellen aus menschlichen fetalen Lebern infundiert. Danach zeigten sich klare klinische Verbesserungen – alle wichtigen Laborwerte bewegten sich zurück in Richtung Normalbereich, und die Patienten befanden sich in einem stabileren Zustand. Solche Resultate, wenn sie sich in größeren Studien bestätigen, wecken die Hoffnung, dass langfristig Leberversagen behandelbar wird, ohne dass ein Spenderorgan benötigt wird.

 

Bei all den Fortschritten mit adulten Stammzellen darf man die zweite große Kategorie nicht vergessen: embryonale Stammzellen. Als es in den späten 1990ern gelang, Zellen aus frühen Embryonen (Blastozysten) zu isolieren, staunte die Fachwelt über deren Alleskönner-Eigenschaften. Embryonale Stammzellen (ESC) können sich in nahezu jeden Zelltyp des Körpers verwandeln. Sie stammen aus dem Inneren der Blastozyste – dem sogenannten inneren Zellhaufen, aus dem sich beim Embryo alle Gewebe entwickeln. Wegen ihrer Pluripotenz wären ESC prinzipiell die idealen Kandidaten für regenerative Therapien, doch ihre Gewinnung ist ethisch problematisch und in vielen Ländern stark reglementiert. Aus diesem Dilemma heraus entstand ein neuer Ansatz, der die Medizin revolutionierte: Induzierte pluripotente Stammzellen.

 

Der Durchbruch kam 2006, als es Shinya Yamanaka und Kollegen gelang, reife Körperzellen so umzuprogrammieren, dass sie sich in einen embryonalen Urzustand zurückversetzen ließen. Die so erzeugten iPS-Zellen teilen sich unbegrenzt und können alle drei Keimblatt-Linien hervorbringen – ihr Verhaltensprofil gleicht erstaunlich dem von ESC. Der Trick: Man schleust vier spezielle Steuer-Gene ein – die berühmten Yamanaka-Faktoren Oct4, Sox2, Klf4 und c-Myc –, welche die epigenetische Uhr der Zelle zurückdrehen. Aus einer Haut- oder Blutzelle wird so eine pluripotente Stammzelle, ohne dass ein Embryo benötigt wird. Weil iPS-Zellen aus dem eigenen Patienten gewonnen werden können, bergen sie die Aussicht, maßgeschneiderte Ersatzteile für den Körper zu liefern, die vom Immunsystem nicht als fremd erkannt werden. Forscher haben inzwischen iPS-Zellen von Patienten mit verschiedensten Krankheiten hergestellt – von Huntington über Muskeldystrophie bis Down-Syndrom – und diese Zellen genutzt, um im Labor gezielt die jeweils betroffenen Zelltypen zu züchten. Erstmals kann man so erkranktes menschliches Gewebe im Reagenzglas beobachten und studieren, wie etwa Nervenzellen bei Alzheimer oder Herzmuskelzellen bei erblichen Rhythmusstörungen funktionieren oder degenerieren. Sogar für die Krebsforschung eröffnen sich neue Möglichkeiten: So lassen sich Tumorzellen eines Patienten in iPS-Zellen zurückverwandeln und dann Schritt für Schritt wieder in Tumorgewebe ausdifferenzieren, um die frühen Phasen der Krebsentstehung im Zeitraffer nachvollziehen zu können.

 

iPS-Zellen sind jedoch nicht nur Werkzeuge für das Labor, sondern werden bereits für künftige Therapien ins Auge gefasst. Wissenschaftler arbeiten daran, aus iPS-Zellen funktionsfähiges Gewebe zu erzeugen – von Herzmuskel-Patchs bis zu neuronalen Implantaten –, das eines Tages Patientinnen und Patienten transplantiert werden könnte. In einem vielversprechenden Ansatz wurden beispielsweise aus menschlichen iPS-Zellen sogenannte SKPs hergestellt, Vorläuferzellen der Dermis (Lederhaut). Diese iPS-abgeleiteten Hautzellen zeigten im Vergleich mit natürlichen Haut-Stammzellen sehr ähnliche Eigenschaften und konnten in vitro sowohl neuronale als auch mesodermale Zelltypen hervorbringen – von Fettzellen bis zu knochenbildenden Zellen. Solche Resultate deuten darauf hin, dass man mit patienteneigenen iPS-Zellen künftig beschädigte Haut ersetzen oder verbessern könnte. Bis zur routinemäßigen Anwendung von iPS-Zelltherapien ist es allerdings noch ein weiter Weg. Pluripotente Zellen teilen sich von Natur aus unkontrolliert, solange man sie nicht in geordnete Bahnen lenkt – verbleiben auch nur wenige unreife iPS-Zellen in einem Transplantat, könnten sie potenziell Tumore wie Teratome auslösen. Zudem gibt es Hinweise, dass selbst aus körpereigenen Zellen gewonnene iPS-Zellen unter Umständen eine Immunreaktion hervorrufen können. Warum ein Organismus seine eigenen (reprogrammierten) Zellen attackiert, ist noch nicht vollständig geklärt; möglicherweise spielen subtile epigenetische Veränderungen eine Rolle, die während der Rückprogrammierung entstehen.

 

Dennoch gelten iPS-Zellen schon jetzt als Meilenstein der Biomedizin. Sie umgehen die ethischen Konflikte embryonaler Zellen und eröffnen personalisierte Therapien, von denen man vor Kurzem nur träumen konnte. Adulte Stammzellen haben der Medizin bereits ungeahnte Möglichkeiten eröffnet, stießen aber auch an Grenzen – etwa wenn es darum ging, tatsächlich alle Gewebetypen regenerieren zu können oder Abstoßungsreaktionen zu vermeiden. Mit iPS-Zellen steht nun ein neues Werkzeug zur Verfügung, das viele dieser Limitierungen überwindet. Es ist, als hätten Forscher den Generalschlüssel zu den Entwicklungspfaden der Zellen gefunden. Noch sind viele Fragen zu klären, bevor diese Errungenschaften breit in der Klinik ankommen. Doch die Reise, die mit den stillen Reparatur-Zellen im Körper begann und über die Entdeckung der pluripotenten Alleskönner im Labor führte, zeigt, welches Potential in unserem Innersten schlummert. Die Vision einer Medizin, die den Körper durch seine eigenen Zellen heilt, rückt damit greifbar nahe – und schreibt ein aufregendes neues Kapitel der Wissenschaft.

 

Quelle: Della Rocca et al., 2025, Stem Cells in Regenerative Medicine: A Journey from Adult Stem Cells to Induced Pluripotent Cells, Int. J. Mol. Sci., DOI: 10.3390/ijms26178255.