Regenerative Medizin Selbstheilungskraft des Körpers verstehen und nutzen - DEEN NNOVATION
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
DEEN
NNOVATION
W CHSTUM
Die Hightech-Strategie für Deutschland
Regenerative Medizin
Selbstheilungskraft des Körpers verstehen und nutzen
Impressum Herausgeber Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) Referat Gesundheitswirtschaft 11055 Berlin Bestellungen Schriftlich an Publikationsversand der Bundesregierung Postfach 48 10 09 18132 Rostock oder per Tel.: 01805 - 77 80 90 Fax.: 01805 - 77 80 94 (14 Cent/Min. aus dem deutschen Festnetz, Mobilfunk max. 42 Cent/Min.) E-Mail: publikationen@bundesregierung.de Internet: www.bmbf.de Redaktion biotechnologie.de, Berlin Dr. Philipp Graf Sandra Wirsching Gestaltung Sven Oliver Reblin Druckerei DruckVogt GmbH, Berlin Bonn, Berlin 2013 Bildnachweise Umschlag: TRM Leipzig/ Metronom GmbH, Leipzig, Franziska Frenzel MHH Hannover, Axel Haverich (S. 2, S. 29); Universität des Saarlandes (S. 4); RTC, Peter Mark (S. 5.); BioTissue Technologies (S. 6); Nissim Benvenisty (S.7); Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin, Münster ( S. 11); MDC, Heike Naumann (S. 12), Universität Tübingen, Thomas Skutella (S. 9); Universität Würzburg, Jürgen Groll (S. 13); CRTD, Carsten Werner (S. 15, S. 17); CRTD, Katrin Boes ( S. 19, S. 20), CRTD, Elly Tanaka/Dunja Knapp (S. 21); RWTH Aachen, Stefan Jockenhövel (S. 16, S. 26); Max-Delbrück-Centrum für molekulare Medizin (S. 21); Euroderm GmbH (S. 22, S. 23), TU Berlin, Gerd Lindner (S. 24); Fraunhofer IPA (S. 25); Pluristem (S. 28); BCRT, Katrin Zeilinger (S. 30, S. 31, S. 32); Fraunhofer IGB, Heike Walles (S. 32); NMI Reutlingen, Martin Stelzle (S. 33); BCRT, Georg Duda (S. 34); Tetec AG (S. 35); Biotissue Technologies GmbH (S. 36); Universität Lübeck, Holger Notbohm (S. 37); Matricel GmbH (S. 38, S. 39), Universität Bonn, Oliver Brüstle (S. 40); ZEBET, Manfred Liebsch (S. 42, S. 45); BCRT (S. 42, S. 46); pixelio.de, Rolf van Melis (S. 43); Spherotec (S. 44); Fraunhofer FIT (S. 45)
Vorwort
Vorwort
Das Bundesministerium für Bildung und For-
schung (BMBF) begleitet die Entwicklungen in der
regenerativen Medizin bereits seit vielen Jahren
mit unterschiedlichen Fördermaßnahmen, die
wesentlich dazu beigetragen haben, die deutsche
Forschungs- und Unternehmenslandschaft und ihre
internationale Wettbewerbsfähigkeit zu stärken.
Auch deshalb ist Deutschland heute führend in der
regenerativen Medizin.
Eine wichtige Voraussetzung für Spitzenleistungen
ist die Vernetzung der zentralen Akteure. Deshalb
fördert das BMBF Translationszentren, in denen
die Kooperation von Wissenschaftlern, Klinikern
und Unternehmern besonders gefördert wird.
Mit gezielten Maßnahmen unterstützen wir auch
den innovativen Mittelstand in der regenerativen
Medizin bei der Umsetzung anspruchsvoller For-
Die körpereigenen Kräfte nutzen, um Erkran- schungs- und Entwicklungsprojekte. Zudem fördert
kungen zu behandeln und zu heilen – das ist eines das BMBF den Dialog deutscher Forscherinnen
der wichtigsten Ziele der regenerativen Medizin. und Forscher mit ihren internationalen Kollegen,
Bei Verletzungen der Haut, des Knorpels oder zum Beispiel die bilaterale Kooperation mit dem
Erkrankungen des Herzens haben regenerative renommierten California Institute for Regenerative
Verfahren bereits Eingang in die klinische Praxis Medicine (CIRM).
gefunden. Innovative Forschung verbessert so
schon heute nicht nur die medizinische Versor- Die vorliegende Broschüre gibt auf vielfältige
gung, sondern auch die Lebensqualität der Weise Einblicke in das faszinierende Forschungs-
Menschen. feld der regenerativen Medizin. Sie stellt aktuelle
Forschungsansätze und neue Entwicklungen in den
Der rasante wissenschaftliche Fortschritt zeigt unterschiedlichen Anwendungsfeldern regenera-
eindrucksvoll: Das Potenzial der regenerativen tiver Technologien vor. Informieren Sie sich über
Medizin ist noch längst nicht ausgeschöpft. Viele die Chancen, die die regenerative Medizin nicht nur
Forschungseinrichtungen und Unternehmen Wissenschaft und Wirtschaft, sondern vor allem
arbeiten daran, die Erkenntnisse aus dem Labor Patientinnen und Patienten eröffnet.
noch besser für neue Therapien und Diagnostika
zu nutzen – beispielsweise für die Behandlung
altersbedingter Erkrankungen, die angesichts der
demografischen Entwicklung in Industrienationen
wie Deutschland eine immer größere Rolle spielen.
Regenerative Technologien eröffnen auch neue
Wege, um die Zahl von Tierversuchen zu reduzieren. Bundesministerin für Bildung und Forschung
InHalt 1
Inhalt
Regenerative Medizin im Überblick ................ 2 Die Leber im Labor nachbauen........................................ 32
Was ist Regenerative Medizin ? ....................................... 2 Mikrochip als Medikamententestsystem ................... 33
Mit Tissue Engineering zum Organersatz................... 5 Knochen und Knorpel:
Zum wachstum anregen ......................................... 34
Stammzellen: zelluläre Multitalente .............. 7
Knorpelbildung im Körper stimulieren ........................ 36
Embryonale Stammzellen - die Alleskönner .............. 7
Knochenheilung mit Stammzellen ................................ 37
Nützliche Gewebestammzellen ..................................... 8
nerven und Gehirn:
Reprogrammieren als neuer Weg ................................. 9 Regenerationspotenzial ausloten .................. 38
Regenerationstechnologien: Zellverluste bei Parkinson ersetzen .............................. 38
Helfer für die Medizin ................................................ 13
Künstliche Straßen für wachsende Nerven ............... 40
Bioreaktoren: Gewächshäuser für Gewebe ............... 16
Stammzellen im Gehirn gezielt nutzen ...................... 41
Hilfestellung für die Selbstheilung ................................ 17
neue tests:
Gezielt Erbanlagen reparieren ........................................ 18 Gewebe als Ersatz zum tierversuch .............. 42
Zebrafisch und Salamander: Zellkulturtests mit Prüfsiegel .......................................... 42
Von Modellen lernen .................................................. 19
Organe auf dem Mikrochip ............................................... 45
Zebrafische regenerieren Herz und Gehirn ............... 19
translation:
Heilungsprozesse beim Lurch verstehen .................... 21 Der schwierige weg in die Praxis ..................... 46
Haut: Kleine und große wunden heilen ...... 22 Kleine Unternehmen als Innovationsmotoren ........ 46
Wunden verschließen mit Ersatzgewebe ................... 22 Fünf Translationszentren bundesweit ......................... 47
Künstliche Hautproduktion im Akkord......................... 25 Klare Regeln für den europäischen Markt .................. 50
Herz: Schwache Pumpen ankurbeln ............... 26 Klinische Studien als große Herausforderung .......... 51
Herzmuskelzellen aus dem Labor .................................. 26 Fördermaßnahmen im Überblick ..................... 53
Stammzelltherapie bei Herzinfarkt ............................... 27 Glossar ................................................................................... 54
Herzklappen wachsen im Bioreaktor............................ 28 weiterführende Publikationen des BMBF .. 57
Herzgewebe für die Wirkstoffforschung..................... 29
leber: Regenerationskraft ausnutzen ......... 30
Leberzellen aus Stammzellen gewinnen .................... 30
2 REGEnERatIVE MEDIZIn IM ÜBERBlIcK
Regenerative Medizin im Überblick
Viele Krankheiten lassen sich behandeln,
aber nicht heilen. Das gilt besonders für
altersbedingte leiden, bei denen oft Zellen
absterben und organfunktionen nachlassen.
Die Regenerative Medizin kann erkranktes
Gewebe wiederherstellen und funktions-
tüchtig machen. Dazu nutzt sie die Selbsthei-
lungskräfte des Körpers. Ein großes Potenzial
für die Medizin des 21. Jahrhunderts.
Die Fähigkeit zur Regeneration ist lebensnotwen-
dig. Unter Regeneration wird in der Biologie die
Fähigkeit eines Organismus verstanden, verloren
gegangene Körperteile und Körperfunktionen von
Grund auf zu ersetzen – um so möglichst den ge-
sunden Originalzustand wiederherzustellen. Diese
Regenerationsfähigkeit besitzen prinzipiell alle Le-
bewesen – aber nur bis zu einem bestimmten Grad.
Die treibende Kraft dieser Selbstheilungsfähigkeit
Forscher in Hannover arbeiten daran, Herzgewebe künstlich herzu-
geht von den Zellen aus, die die betroffenen Gewebe stellen. Hier sind Herzmuskelzellen (grün mit blauem Zellkern) sowie
und Organe aufbauen. Bei Menschen ist die Rege- Kollagenfasern (orange) zu sehen.
nerationsfähigkeit gerade bei den Organen aus-
geprägt, die in hohem Maße beansprucht werden:
Knochenmark, Leber, die obere Hautschicht oder ist immer gleich: Möglichst den gesunden und funk-
etwa die Darmschleimhaut werden ständig nach- tionalen Originalzustand eines betroffenen Gewebes
gebildet. Sogenannte Stammzellen sorgen in diesen wiederherzustellen, anstatt es nur behelfsmäßig zu
Geweben ein Leben lang für Nachschub an neuen ersetzen und zu reparieren. Heilen statt reparieren –
Zellen. In anderen menschlichen Organen ist dieses das ist das Motto der Regenerationsmedizin.
Potenzial jedoch stark eingeschränkt, wie etwa im
Gehirn, im Herz und im Auge. Noch dazu bildet Lebende Zellen sind dabei das zentrale Werkzeug
der Körper bei größeren Wunden Narbengewebe. der Regenerativen Medizin. Sie liefern das Baumaterial
So werden entstandene Defekte nur behelfsmäßig für den angestrebten Organersatz und sie bewirken,
repariert, aber nicht regeneriert. dass regenerative Prozesse im Körper in Gang gesetzt
werden. Auf diese Weise entstehen nicht nur Thera-
W pien, sondern auch neuartige Ansätze, um die Diagnos-
tik von Krankheiten zu verbessern oder zellbasierte
Innerhalb der Biomedizin gehört die Regenerative Testsysteme, um die Wirkung von Medikamenten zu
Medizin zu den Gebieten mit der stärksten Ent- prüfen. Als Forschungsdisziplin ist die Regenerative
wicklungsdynamik. Das spiegelt sich auch in den Medizin in hohem Maße multidisziplinär, denn sie
verschiedenen Versuchen wider, dieses Medizin- verknüpft Ansätze der Zellbiologie, der Biotechnologie
konzept in Worte zu fassen. Forscher haben sich und der Pharmakologie mit Medizintechnik und Mate-
bisher nicht auf eine offizielle Definition geeinigt. rialwissenschaften. Mit diversen Förderinitiativen, die
Prinzipiell gilt jedoch: Die Regenerative Medizin ist all diese Forschungsdisziplinen adressieren, versucht
eine Heilkunst, die auf die Wiederherstellung funkti- das Bundesministerium für Bildung und Forschung
onsgestörter Zellen, Gewebe oder Organe abzielt. Dies (BMBF), die dynamische Entwicklung auf diesem Feld
geschieht entweder durch Anregung der körpereige- voranzutreiben: Seit den 1990er Jahren werden dabei
nen Regenerations- und Reparaturprozesse oder aber nicht nur akademische Forschungsprojekte, sondern
durch biologischen Ersatz in Form von lebenden Zellen auch vielversprechende Projekte von Unternehmen
oder eigens im Labor gezüchteten Geweben. Das Ziel gezielt unterstützt.
REGEnERatIVE MEDIZIn IM ÜBERBlIcK 3 Die Erforschung der Selbstheilungskräfte des Mit dem Siegeszug der Molekularbiologie in den Körpers ist allerdings kein neues Phänomen. Schon 1970er Jahren begannen Genetiker und Zellbiolo- seit der Antike beschäftigt Mediziner dieses Thema. gen damit, diesen auch als Differenzierung bezeich- Auch damals wollten sich die Ärzte diese Erkennt- neten Prozess genauer zu untersuchen. Es zeigte nisse für Therapien zunutze machen. Doch erst seit sich, dass in den spezialisierten Zellen des Körpers dem 19. Jahrhundert, als die Zellen als Ursache für eine deutlich geringere Zahl an Genen im Erbgut Krankheiten in den Blick der Mediziner rückten, aktiv ist als etwa in befruchteten Eizellen. begannen Forscher damit, die Prozesse der Rege- neration tatsächlich zu entschlüsseln. Deutsche Lange Zeit gingen Forscher zudem davon aus, Wissenschaftler gehörten dabei im frühen 20. Jahr- dass die einmal erlangte Spezialisierung einer Zelle hundert zu den Pionieren der Embryologie und Ent- ein unumkehrbares Schicksal ist. Diese Auffas- wicklungsbiologie, die viel Grundlagenwissen für sung hat sich in den letzten Jahrzehnten durch die Regenerative Medizin zutage gefördert haben. die rasanten Entwicklungen in der Molekularbio- So untersuchen Entwicklungsbiologen die Mecha- logie, der Genom- und Stammzellforschung, der nismen, die aus einer befruchteten Eizelle ein kom- Fortpflanzungsmedizin sowie der Systembiologie plexes Lebewesen formen. Inzwischen ist bekannt, grundlegend geändert. So ermöglichte die in dass der voll entwickelte menschliche Organismus vitro-Befruchtung – also die künstliche Befruch- aus mehr als 200 verschiedenen Zelltypen besteht, tung im Labor – bedeutende Untersuchungen zur die in Geweben und Organen organisiert sind und Embryonalentwicklung. Im Jahr 1998 gelang es dort bestimmte Funktionen übernehmen. Obwohl US-Forschern erstmals, menschliche embryonale diese Zellen alle die gleiche genetische Ausstattung Stammzellen zu gewinnen. Mit diesen Zellen, die besitzen, spezialisieren sie sich im Laufe ihrer Ent- sich nahezu unbegrenzt vermehren lassen und sich wicklung und werden zu definierten Körperzellen. in viele verschiedene Zelltypen entwickeln kön- Forschungslandschaft Regenerative Medizin in Deutschland Mit der Regenerativen Medizin beschäftigen sich in Deutschland zahlreiche Forschergrup- pen, die über das ganze Land verteilt sind. Sie decken ein weites Spektrum an Wissenschafts- gebieten ab, angefangen bei der Biomedizin, der Biotechnologie, der Pharmakologie, der Medi- zintechnik und Materialwissenschaften. Die Wissenschaftler arbeiten in Hochschulen und Universitätskliniken, in Fachhochschulen und außeruniversitären Forschungseinrich- tungen der Forschungsorganisationen (Max- Planck, Helmholtz, Leibniz, Fraunhofer). Von besonderer Bedeutung für die Forschung und Umsetzung regenerativer Therapien in die klinische Praxis sind sogenannte Translations- zentren, die in den vergangenen Jahren durch öffentliche Förderinitiativen eingerichtet wurden (vgl. S. 46 ff.). Solche Zentren gibt es mittlerweile in Berlin, Leipzig, Rostock (BMBF), Dresden und Han- nover (DFG). Wichtige Standorte der Stammzell- forschung sind zudem Bonn, München,Würzburg, Tübingen, Heidelberg und Münster. Forschungsstandorte der Regenerativen Medizin in Deutschland.
4 REGEnERatIVE MEDIZIn IM ÜBERBlIcK
nen, bekamen die Forscher eine Möglichkeit an die diesem Grund unterliegt die Stammzellforschung
Hand, in großen Mengen Zellen für die Grundlagen- im Gegensatz zu anderen Forschungsfeldern in
forschung zu gewinnen. Gleichzeitig entdeckten sie Deutschland vergleichsweise strengen Regeln, die
auch immer mehr neue Möglichkeiten bei anderen Wissenschaftler einhalten müssen. Das 1991 in Kraft
Stammzelltypen. So ist heute zunehmend ein Bild getretene Embryonenschutzgesetz verbietet die
entstanden, dass selbst spezialisierte Zellen keine verbrauchende Embryonenforschung einschließ-
festgelegten Bausteine des Körpers sind, sondern lich der Verwendung von Embryonen zur Herstel-
wandelbare Gebilde, deren Verhalten beeinflussbar lung von Stammzellen. Das Stammzellgesetz von
und umprogrammierbar ist. Die Stammzellfor- 2002 (novelliert im Jahr 2008) erlaubt deutschen
schung steht dabei in ganz besonderer Weise im Forschern nur unter strengen Voraussetzungen und
Blickfeld der Öffentlichkeit – nicht zuletzt aufgrund nach Genehmigung durch das Robert Koch-Institut,
ihrer ethischen Dimension, denn neue embryonale embryonale Stammzellen aus dem Ausland zu
Stammzell-Linien können nur durch die Zerstö- Forschungszwecken zu importieren und zu verwen-
rung von Embryonen gewonnen werden. Aus den.
Von der Stammzelle zur therapie
Aufgrund ihrer vielseitigen Eigenschaften Anwendungen suchen. Zwischen 2008 und 2013
erforschen Wissenschaftler seit Ende der 90er werden diesbezüglich insgesamt 47 Vorhaben mit
Jahre das Potenzial von Stammzellen und ihren 15 Millionen Euro unterstützt. Hierbei erkunden
Einsatz in der Regenerativen Medizin. Deutsche Forscher entweder das Entwicklungspotenzial
Forscher werden dabei seit 1999 vom BMBF mit natürlich vorkommender Gewebestammzellen.
diversen Förderinitiativen unterstützt. Ging Oder sie entwickeln Verfahren, mit denen sich
es dabei anfangs vor allem um Möglichkeiten Körperzellen künstlich in einen vielseitigen
für den Ersatz einzelner Organfunktionen bei Zustand zurückprogrammieren lassen. Um auf
verschiedenen volkswirtschaftlich relevanten der Basis dieser Erkenntnisse die Entwicklung
Erkrankungen wie Parkinson, Diabetes oder zellbasierter Therapien voranzutreiben, werden
Herzinfarkt, so liegt inzwischen ein Schwer- zwischen 2005 und 2013 weitere Mittel in Höhe
punkt auf Projekten, die nach ethisch unpro- von mehr als 30 Millionen Euro zur Verfügung
blematischen Wegen für die Gewinnung von gestellt.
vielseitigen Stammzellen für medizinische
Um die bislang in Deutschland aufgebauten
Strukturen der grundlagenorientierten und
angewandten Stammzellforschung sowohl
national wie auch international gebündelt
sichtbar zu machen und zu vertreten, soll 2012
ein „Deutsches Stammzellnetzwerk“ entste-
hen. Mithilfe einer solchen Dialogplattform
ist auch geplant, die Nachwuchsförderung zu
stärken und die rechtlichen sowie ethischen
Rahmenbedingungen in diesem Forschungsfeld
transparent darzustellen. Gleichzeitig soll die
Translation von Ergebnissen gezielt unerstützt
werden. Zum Start der Plattform stellt das BMBF
eine Anschubfinanzierung zur Verfügung.
Mehr Informationen:
Angefärbte Herzmuskelzellen in der Kulturschale: Künftig lassen www.bmbf.de/de/1084.php
sich womöglich derartige Zellen aus Stammzellen gewinnen. www.ptj.de/stammzellnetz
REGEnERatIVE MEDIZIn IM ÜBERBlIcK 5
Neben der Forschung an embryonalen Stamm-
zellen wurden in den letzten Jahrzehnten durch
staatliche Förderprogramme besonders die For-
schungen zu alternativen Quellen von Stammzellen
intensiviert. Dadurch ist insbesondere in Deutsch-
land im Bereich der adulten Stammzellforschung
eine große wissenschaftliche Expertise entstanden.
Die größte Herausforderung besteht nun darin, die
vielen wissenschaftlichen Erkenntnisse in weiter-
führende Strategien für medizinische Forschung
und Anwendungen zu überführen (vgl. Kapitel
Stammzellen).
Mit tissue Engineering zum organersatz
Entscheidene Impulse für den Fortschritt in der
Regenerativen Medizin, insbesondere was die
Frisch isolierte Stammzellen aus dem Knochenmark werden Patienten
Bereitstellung von Organen betrifft, kommen aber nach einem Herzinfarkt in den betroffenen Herzmuskelbereich ge-
nicht nur aus der Stammzellforschung, sondern spritzt. Dort sollen sie die Regeneration ankurbeln.
auch aus dem Bereich der Chirurgie. So gelang
Ärzten in Boston in den 1950er Jahren die erste
erfolgreiche Nierentransplantation. 1967 glückte Die Potenziale der Regenerativen Medizin sind also
die erste Verpflanzung eines Herzens. Wenige groß. Der Fokus auf die Regenerationsfähigkeiten
Jahre später meldeten Ärzte die erste erfolgreiche des Körpers könnte dabei helfen, viele drängende
Knochenmarktransplantation. Seit es Mediziner Probleme der medizinischen Versorgung zu
schaffen, mit Medikamenten die Immunabwehr lösen. Nicht zuletzt aus diesem Grund wird der
zu unterdrücken und so eine Abstoßung kör- Regenerativen Medizin deshalb eine vielverspre-
perfremder Organe zu verhindern, hat sich die chende Zukunft prognostiziert, insbesondere für
Transplantationsmedizin zu einem Eckpfeiler der Industrienationen wie Deutschland. So nehmen
Hightech-Medizin entwickelt. Sie sichert heute das mit dem demographischen Wandel auch hierzu-
Überleben vieler Patienten mit erkrankten oder lande altersbedingte Krankheiten immer mehr zu:
verletzten Organen. Doch Spenderorgane sind Bestimmte Organfunktionen lassen nach und die
knapp und können den stetig steigenden Bedarf Zahl körperlicher Gebrechen steigt. Es sind Leiden
nicht decken. Allein in Deutschland werden zurzeit wie Schlaganfall, Herzinfarkt, Alzheimer, aber auch
schätzungsweise doppelt so viele Transplantations- Nierenversagen, Diabetes sowie Gelenkverschleiß,
organe gebraucht wie zur Verfügung stehen. Die die zu den Volkskrankheiten in Deutschland gehö-
Wartelisten sind lang, viele Patienten überleben ren. Eine Heilung ist dabei selten in Sicht. Zumeist
die Wartezeit nicht. müssen die Patienten für den Rest des Lebens Medi-
kamente einnehmen. Doch diese können lediglich
Auf der Suche nach Alternativen begannen Bio- Symptome lindern und den Krankheitsverlauf
technologen deshalb in den 1990er Jahren verstärkt verlangsamen. Oft sind mit der Einnahme auch
damit, lebendes Ersatzgewebe im Labor heranzu- unerwünschte Nebenwirkungen verbunden. Die
züchten. Dies wird als sogenanntes Tissue Enginee- Lebensqualität der Patienten bleibt deshalb meist
ring bezeichnet, das heute als wichtiger Bereich eingeschränkt. In schweren Fällen sind Prothesen
der Regenerativen Medizin gilt. Ein immer tieferes oder sogar Organtransplantationen die einzige
Verständnis der Zellbiologie und die Verwendung Alternative. Solche Eingriffe sind zudem mit hohen
immer ausgeklügelter Gerüstmaterialien, auf de- Behandlungskosten verbunden.
nen mithilfe menschlicher Zellen neue Gewebe und
Organe heranwachsen können, haben hier inzwi- Die Vision der Regenerativen Medizin ist es, die
schen für bedeutende Fortschritte gesorgt, wenn- medizinischen Probleme nicht nur symptomatisch
gleich das Organ auf Bestellung für jedermann noch zu behandeln, sondern tatsächlich die Ursache zu
in ferner Zukunft liegt. bekämpfen und zu heilen. Erste Fortschritte in den
6 REGEnERatIVE MEDIZIn IM ÜBERBlIcK
Bereichen Haut (vgl. S. 22 ff.), Knochen (vgl. S. 34 ff.), Forschungseinrichtungen und klinischen Zentren
Herz (vgl. S. 26 ff.), Leber (vgl. S. 30 ff.) und Nerven wider. Darüber hinaus ist die Anwendungsorien-
(vgl. S. 38 ff.) zeigen, dass die Wissenschaft für eine tierung der Forschng in den vergangenen Jahren
Vielzahl von Krankheiten bereits an vielverspre- deutlich gestiegen. So wurden auf Initiative der
chenden Behandlungsstrategien arbeitet. Zugleich Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) sowie
steigt das Wissen über grundsätzliche Regenerati- des BMBF interdisziplinäre Forschungszentren
onsprozesse in Modellorganismen wie Salamander gegründet, deren Ziel es ist, Ideen aus dem Labor
oder Zebrafisch (vgl. S. 19 ff.). möglichst schnell für Patientinnen und Patienten
verfügbar zu machen (vgl. S. 46 ff.). Darüber hinaus
Die Forschung in Deutschland ist dabei sehr wird im Rahmen internationaler Kooperationen die
breit aufgestellt – sei es in der Grundlagenforschung Zusammenarbeit deutscher Forscher mit Kollegen
oder der Anwendung regenerativer Therapien. aus dem Ausland gefördert. All dies wiederum wird
Mit international renommierten Wissenschaftlern dazu führen, dass noch mehr Unternehmen Ansät-
gehört Deutschland zu den weltweit führenden ze aus der Regenerativen Medizin aufgreifen. Um
Nationen im Bereich der Regenerativen Medizin. für die Zukunft gewappnet zu sein, hat das BMBF
Besondere Stärken gibt es traditionell im medizin- zudem langfristig angelegte Strategieprozesse in
technischen Bereich, der Zellkulturtechnologie und den Bereichen Biotechnologie und Medizintechnik
der Gewebezüchtung. In der Stammzellforschung initiiert, in denen die Regenerative Medizin auch
baut Deutschland auf jahrzehntelanger Expertise eine Rolle spielt (vgl. S. 53). Hier werden schon heu-
in der Entwicklungsbiologie und bei Zelltherapien te Forschungs- und Entwicklungsroadmaps für die
auf. Dies spiegelt sich in einer hohen Dichte an Zukunft erarbeitet.
Regenerationstechnologien: Der weg in die klinische Praxis
Die Regenerative Medizin ist ein dynamisches For- sie dabei vom BMBF unterstützt – insbesondere
schungsgebiet, bei dem Spezialisten aus Biologie, bei risikoreichen Projekten im Bereich der Ge-
Chemie, Physik, Materialforschung, Geräte- und webeherstellung (Tissue Engineering). Bis 2007
Verfahrenstechnologie, Informatik, und Medizin hat das BMBF dabei insgesamt 43 Millionen Euro
zusammenarbeiten. Eine wichtige Triebfeder investiert. Erste Anwendungen, etwa Produkte
sind dabei mittelständische Biotechnologie- und für die Regeneration von Haut oder Knorpel, be-
Medizintechnik-Unternehmen (KMU), die die finden sich bereits im klinischen Einsatz. Die Er-
Anwendungsmöglichkeiten der Regenerations- fahrungen der ersten Jahre haben jedoch gezeigt,
technologien für Therapien oder Diagnostika dass noch zahlreiche Hürden zu meistern sind,
ständig vorantreiben. Seit dem Jahr 2000 werden bis Regenerationstechnologien tatsächlich breit
eingesetzt werden. An klinische Studien sowie
die Zulassung werden in diesem Feld inzwischen
hohe Anforderungen gestellt. Deshalb fördert das
BMBF seit 2008 auch die Entwicklung neuer und
zuverlässiger Prüf- und Standardisierungsver-
fahren für Produkte der Regenerativen Medizin,
um gravierende Innovationshemmnisse aus dem
Weg zu räumen und den Nutzen regenerativer
Therapien künftig bewerten zu können. Insge-
samt 15 Millionen Euro fließen dabei in Verbund-
projekte von Wissenschaft und Wirtschaft.
Einige Biotechnologie-Unternehmen haben sich darauf speziali- Mehr Informationen:
siert, Gewebe für verschiedenste Anwendungen zu züchten. www.ptj.de/regenerative-technologien
StaMMZEllEn: ZElluläRE MultItalEntE 7
Stammzellen: zelluläre Multitalente
Stammzellen sind im Körper die treibenden
Kräfte für Entwicklung und Regeneration. Da
aus ihnen neue Zellen hervorgehen, sind sie
auch die zentrale Materialquelle für die
Regenerative Medizin. Je nach Herkunft sind
Stammzellen unterschiedlich vielseitig. In
Deutschland regelt ein striktes Stammzellge-
setz die Forschung mit menschlichen embryo-
nalen Stammzellen. Gewebestammzellen und
künstlich im labor gewonnene Stammzellen
sind in den Fokus der Forscher geraten.
Die „Familie“ der Stammzellen ist groß: Sie unter- Humane embryonale Stammzellen unter dem Mikroskop.
scheiden sich in ihrem Entwicklungsvermögen und
lassen sich auf verschiedenen Wegen gewinnen. Damit Wissenschaftler mit ES-Zellen arbeiten
Einfach formuliert ist eine Stammzelle eine Zelle, können, werden sie in Kulturschalen übertragen, die
von der andere Zellen im Körper abstammen. Im mit einer speziellen Nährlösung gefüllt sind. Hier
Vergleich zu hochspezialisierten Körperzellen sind vermehren sie sich zu mehreren hundert Zellen, die
Stammzellen weniger stark auf eine bestimmte wiederum in neue Kulturschalen überführt werden,
Entwicklungsrichtung festgelegt. Durch Zellteilung so dass aus wenigen embryonalen Stammzellen
sind sie in der Lage, eine sich spezialisierende Toch- schließlich Abermillionen entstehen. Bei geeigneter
terzelle und eine Stammzelle zu erzeugen, wodurch Stimulierung mit einem Cocktail aus Wachstums-
sie sich selbst erhalten. Mithilfe von Stammzellen faktoren lassen sie sich in jeden erdenklichen der
wächst und erneuert sich der Organismus ein Leben 200 menschlichen Zelltypen verwandeln. Somit sind
lang, Wunden und innere Schäden heilen aus eige- ES-Zellen eine schier unerschöpfliche Quelle, mit
ner Kraft. Die Medizin versucht, die Heilkraft der deren Hilfe sich Gewebe im Labor nachzüchten lässt,
Stammzellen zu verstehen und gezielt therapeutisch um verschiedenste Fragestellungen zu beantworten.
zu nutzen. Die Herkunft der Stammzellen ist dabei Diese Züchtung aber kontrolliert zu erreichen, ist für
entscheidend für eine mögliche Anwendung. Der Forscher immer noch eine große Herausforderung.
Stammzell-Typ entscheidet auch, wie Forscher mit
den Multitalenten umgehen dürfen. Umstritten sind menschliche ES-Zellen, da zur
Gewinnung neuer Stammzelllinien Embryonen zer-
Embryonale Stammzellen – die alleskönner stört werden müssen. Deshalb wird die Herstellung
und Verwendung von humanen ES-Zellen ethisch
Aus einer befruchteten Eizelle gehen bis zum 8-Zell- kontrovers diskutiert. Verschiedene Länder auf der
Stadium Tochterzellen hervor, die totipotent sind. Welt haben politisch und rechtlich unterschiedliche
Jede für sich hat das Entwicklungspotenzial, einen Lösungen für den Umgang mit Embryonen und
kompletten Organismus aufzubauen. Etwa fünf Tage Stammzellen gefunden. In Deutschland sorgt das
nach der Befruchtung der Eizelle hat sich der Embryo Embryonenschutzgesetz für einen strikten Schutz
zu einem kugeligen Zellgebilde entwickelt, der des Embryos und verbietet das Herstellen mensch-
Blastozyste. Aus der inneren Zellmasse der Blastozy- licher Embryonen zu Forschungszwecken sowie die
ste lassen sich embryonale Stammzellen (ES-Zellen) verbrauchende Embryonenforschung einschließlich
gewinnen. Sie gelten als zelluläre Alleskönner. der Herstellung von menschlichen ES-Zellen. Zu-
ES-Zellen sind pluripotent: Sie besitzen also grund- sätzlich regelt das Stammzellgesetz den möglichen
sätzlich die Fähigkeit, noch alle Gewebe des mensch- Import und die Verwendung von menschlichen ES-
lichen Körpers bilden zu können (mit Ausnahme des Zellen aus dem Ausland. Solche ES-Zelllinien müssen
Plazentagewebes). Aus ihnen kann sich kein voll- schon vor einem gesetzlich festgelegten Stichtag
ständiger Organismus mehr entwickeln, wie das bei gewonnen worden sein (1. Mai 2007). Darüber hinaus
totipotenten Zellen der Fall ist. dürfen sie nur für Forschungszwecke importiert und8 StaMMZEllEn: ZElluläRE MultItalEntE
verwandt werden, die hochrangig und auf anderem Ein Gesetz für die Stammzellforschung
Wege voraussichtlich nicht zu erreichen sind (siehe
Kasten rechts). Ebenso wie bei der Nutzung anderer
Zellen mit vergleichbarem Potenzial müssen die For- Nachdem US-Forscher 1998 erstmals
scher sicherstellen, dass die aus den menschlichen menschliche embryonale Stammzellen
ES-Zellen herangezüchteten Zellen sich im Körper (ES-Zellen) gewonnen hatten, setzte auch in
nicht plötzlich unkontrolliert vermehren. Aus den Deutschland eine bioethische Debatte ein.
ES-Zellen gewonnene Zelltypen können nach einer Bei der Herstellung von ES-Zellen müssen
Transplantation vom Empfänger als fremd erkannt Embryonen zerstört werden, die bei künst-
werden. In diesem Fall können, wie bei Transplanta- lichen Befruchtungen übrig geblieben sind.
tionen von Organen, gefährlichen Abstoßungsreak- Das deutsche Embryonenschutzgesetz
tionen auftreten. Wissenschaftler weltweit forschen stellt den Embryo unter strikten Schutz und
daher daran, diese potenziellen Immunreaktionen verbietet das Herstellen von Embryonen
zu beherrschen. zu Forschungszwecken sowie die verbrau-
chende Embryonenforschung. Um trotzdem
In den USA und in Großbritannien wurden bereits Forschung an menschlichen ES-Zellen zu
erste klinische Studien mit aus ES-Zellen abgeleiteten ermöglichen, gleichzeitig aber zu verhin-
Präparaten gestartet. Das Biotechnologie-Unterneh- dern, dass von Deutschland aus ein Anreiz
men Advanced Cell Technology (ACT) erprobt hierbei ausgeht, im Ausland weiterhin Embryonen
aus ES-Zellen entwickelte Pigmentepithelzellen, die zu zerstören, verabschiedete der Bundestag
zur Behandlung einer Augenerkrankung eingesetzt im Jahr 2002 das „Gesetz zur Sicherstellung
werden. Neben der klinischen Anwendung dienen des Embryonenschutzes im Zusammenhang
ES-Zellen heute schon als Basis für Krankheitsmo- mit Einfuhr und Verwendung menschlicher
delle oder bei der Identifizierung und Suche neuer Stammzellen“. Demnach dürfen Forscher
Wirkstoffe. nur unter strikten Auflagen ES-Zellen aus
dem Ausland einführen und verwenden.
N Diese Stammzellen müssen aber vor einem
gesetzlich bestimmten Stichtag erzeugt wor-
Neben den ES-Zellen sind adulte Stammzellen oder den sein. Um den Forschern die Möglichkeit
Gewebestammzellen die zweite große Gruppe an zu geben, für ihre im internationalen Rah-
Stammzellen. Sie sind in zahlreichen Geweben von men stattfindenden Arbeiten auf zwischen-
erwachsenen Menschen vorhanden und sitzen dort zeitlich erheblich verbesserte und stabilere
in speziellen Nischen, um auf ihren Einsatz zu war- Stammzelllinien zurückzugreifen, einigte
ten. Adulte Stammzellen sind die Reparaturreserve sich der Bundestag 2008 in einer Gesetzesno-
des jeweiligen Gewebes. Sie sorgen für den nötigen velle darauf, den Stichtag vom 1. Januar 2002
Zell-Nachschub, wenn im Gewebe Zellen abster- auf den 1. Mai 2007 zu verlegen. Jede Einfuhr
ben und ersetzt werden müssen. So treiben sie und Verwendung menschlicher ES-Zellen in
die Erneuerung und die Wundheilung an. Adulte Deutschland muss vom Robert-Koch Institut
Stammzellen sind allerdings in ihrem Entwick- (RKI) genehmigt werden. Zur Entscheidung
lungspotenzial eingeschränkt, sie gelten deshalb als über einen Antrag holt das RKI eine Stellung-
multipotent, weil ihre Abkömmlinge nur noch zu nahme der Zentralen Ethik-Kommission für
wenigen Zelltypen heranreifen können. die Stammzellenforschung (ZES) ein. Die ZES
prüft und bewertet, ob das Forschungsvor-
Dank neuester Methoden haben Forscher inzwi- haben die Voraussetzungen nach § 5 StZG
schen an immer mehr Stellen im Körper die vor Ort erfüllt und in diesem Sinne ethisch vertret-
zuständigen Gewebestammzellen entdeckt. Im Blut, bar ist. Bis Frühjahr 2012 hat das RKI auf diese
der Haut und im Darm sind sie besonders aktiv, da Weise seit Bestehen des Stammzellgesetzes
diese Organe sich ständig erneuern. Doch auch in Or- 70 Projekte genehmigt. Insgesamt arbeiteten
ten, die nur bescheidene Regenerationsfähigkeiten 54 Wissenschaftlergruppen zu diesem Zeit-
besitzen, wie im Gehirn, wurden Forscher bereits punkt mit humanen ES-Zellen.
fündig. Problem: Viele adulte Stammzellen sind nur
mit großem Aufwand zu gewinnen und ihre ZuchtStaMMZEllEn: ZElluläRE MultItalEntE 9
im Labor gestaltet sich oft schwierig. Die Vorteile:
Weil sie im erwachsenen Körper vorkommen, sind
sie nicht nur ethisch unproblematisch, sondern auch
einfacher für therapeutische Zwecke nutzbar. So
könnten adulte Stammzellen direkt vom Patienten
gewonnen und für eine Behandlung optimiert
werden. Ihr Einsatz führt auch nicht zu Abstoßungen
durch das Immunsystem. So arbeiten Forscher
derzeit unter anderem daran, adulte Stammzellen
bei der Behandlung von Herzinfarkt einzusetzen
– zum Beispiel an der Universität Frankfurt sowie
der Ludwig-Maximilians-Universität München. In
Rostock wurde darüber hinaus mit Unterstützung
des BMBF ein eigens darauf spezialisiertes Zentrum
eingerichtet (vgl. Kapitel Herz und Translation). Adulte Stammzellen in Kultur.
Eine besonders reiche und gut zugängliche
Quelle für adulte Stammzellen ist das Knochenmark. zurückversetzt werden. Diese „Reprogrammierung“
Hier kommen unter anderen die Blutstammzellen ist japanischen Forschern im Jahr 2006 erstmals ge-
vor und die mesenchymalen Stammzellen, die Vor- lungen. Sie wandelten ausgereifte Hautzellen von
läuferzellen für Knorpel-, Fett- und Knochengewebe Mäusen durch gentechnische Tricks so um, dass sie
darstellen. Gerade die mesenchymalen Stammzellen sich wie embryonale Stammzellen verhielten. Das
haben in den vergangenen Jahren die Aufmerksam- künstlich erzeugte Ergebnis nannten sie induzierte
keit der Forscher auf sich gezogen: Innerhalb der pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen). Die dama-
Gruppe der adulten Stammzellen scheinen sie beson- ligen Experimente haben für einen Paukenschlag
ders vielseitig zu sein und setzen in ihrer Umgebung in der Wissenschaft gesorgt. Denn das Rezept für
offenbar einen Cocktail an Wachstumsfaktoren die Verwandlung ist fast zu einfach, um wahr zu
frei, der die Heilung verschiedener Gewebe anregen sein: Lediglich ein Cocktail aus den vier Genen
kann. namens Oct4, Sox2, c-Myc und Klf4 wurde mithilfe
von Viren in die Körperzellen eingeschleust. Dies
Als weitere Quelle für adulte Stammzellen reichte aus, um in den ausgereiften Zellen eigent-
kommt das Nabelschnurblut von Neugeborenen lich stillgelegte Erbgutabschnitte zu aktivieren und
in Frage. Hierin finden sich besonders junge, ver- so das embryonale Genaktivitäts-Programm wieder
mehrungsfähige Gewebestammzellen, die sich in anzuschalten.
vergleichweise viele Körperzelltypen differenzieren
können. Sie haben die Fähigkeit, sich neben Blutzel- Im Jahr 2007 gelang den japanischen Forschern
len auch zu Nerven, Leber, Muskel, Knochen- oder In- dieselbe Verjüngungskur auch bei menschlichen
selzellen zu entwickeln. Doch in jeder Nabelschnur Hautzellen. Seither entwickelt sich die Reprogram-
stecken nur etwa 50 Milliliter Blut, zu wenig für eine mierungstechnik in rasantem Tempo weiter und
spätere Therapie. In einem vom BMBF geförderten wird immer praxisfreundlicher und sicherer: Ein
Forschungsverbund suchen Wissenschaftler aus deutsches Team um Hans Schöler vom Max-Planck-
Würzburg, Aachen und Hannover deshalb nach Re- Institut für molekulare Biomedizin in Münster hat
zepten, mit denen sich die Zahl der Stammzellen aus es geschafft, adulte Stammzellen von Mäusen und
dem Nabelschnurblut vervielfachen lässt. Menschen nur mit einem Gen (Oct4) zu iPS-Zellen
umzuprogrammieren. Dann schafften es die For-
Reprogrammieren als neuer weg scher, beim Einschleusen der Faktoren auf Viren
als Genfähre und andere gentechnische Methoden
Weder embryonale noch adulte Stammzellen zu verzichten. Offenbar reicht es aus, die Verjün-
haben Forscher bislang komplett zufriedengestellt. gungsfaktoren in Form von Proteinen den Zellen
Aus diesem Grund wird seit langem nach Alterna- zu verabreichen, um sie zu reprogrammieren. Aus
tiven gesucht – zum Beispiel, indem Zellen künst- diesem Grund nannten sie die verwandelten Zellen
lich in eine Art embryonalen Alleskönnerzustand protein-induzierte pluripotente Stammzellen (piPS).Wie Stammzellen gewonnen werden 10
In vitro-Befruchtung Reprogrammieren Isolierung von
Gewebestammzellen
Eizelle
Spermium Körperzellen
(z. B. Haut)
Entnahme von
Stammzellen
(z. B. aus dem
Knochenmark)
Embryo
Pluripotenz-
Faktoren
innere Aufreinigung
Zellmasse der Stammzellen
Blastozyste
embryonale Stammzellen induzierte pluripotente Stammzellen adulte Stammzellen
pluripotent multipotent
… …
Inselzellen Blutzellen Herzmuskelzellen Nervenzellen Leberzellen Knorpelzellen Bindegewebszellen
StaMMZEllEn: ZElluläRE MultItalEntEStaMMZEllEn: ZElluläRE MultItalEntE 11
Nun tüfteln Stammzellforscher weltweit an wei-
teren Verfahren, um die Herstellung von iPS-Zellen
effizienter zu machen. Denn im Labor wird ungefähr
nur bei einem Prozent der behandelten Zellen eine
Reprogrammierung erreicht. Gleichzeitig wird
derzeit ausgiebig getestet, wie ähnlich sie in ihren Ei-
genschaften den natürlichen pluripotenten Stamm-
zellen wirklich sind. Die Weiterentwicklung der
iPS-Technologien steht auch im Fokus des künftigen
Centrums für angewandte Regenerationstechnolo-
gien (CARE), das an das Münsteraner Max-Planck-In- Künstlich erzeugte induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen)
stitut für molekulare Biomedizin angedockt sein soll. ballen sich zu einer Kolonie zusammen.
Den iPS-Zellen wird ein hohes Potenzial zuer-
kannt, denn die Forschung an ihnen vermeidet den Tierexperiment ergeben, dass auch von iPS-Zellen
Verbrauch menschlicher Embryonen zur Generie- abgeleitetes Gewebe in manchen Fällen Immunre-
rung neuer Stammzelllinien. Da die iPS-Zellen aus aktionen hervorrufen kann, was Forscher vor allem
winzigen Gewebeproben der Patienten selbst gewon- auf die Herstellungsmethoden zurückführen. Ein
nen werden können, werden aus ihnen hergestellte weiteres Problem: Die verwendeten Körperzellen der
Zellen bei einer späteren Therapie nicht vom Immun- Patienten haben durch den Alterungsprozess bereits
system als fremd erkannt. Neuere Studien haben im Mutationen in ihrer Erbinformation angesammelt.
Das Beispiel zeigt: Die alternativen Verfahren zur
Europäisches Stammzellregister Herstellung pluripotenter Stammzellen sind noch
junge Entwicklungen. Es besteht noch reichlich
Forschungsbedarf, um sie differenziert bewerten zu
Forscher, die in Deutschland an menschlichen können. Noch ist nicht klar, wie sicher diese Zel-
ES-Zellen forschen wollen, können diese ge- len bei einem möglichen therapeutischen Einsatz
mäß dem Stammzellgesetz aus dem Ausland wären und ob sie tatsächlich mit humanen ES-Zellen
importieren. In anderen EU-Ländern, wie Bel- vergleichbar sind. Um herauszufinden, welcher
gien, Spanien, Großbritannien und Schweden, Zelltyp sich als „Goldstandard“ für bestimmte Fra-
ist die ES-Zellgewinnung hingegen erlaubt. gestellungen durchsetzen wird, verfolgen Forscher
Einmal hergestellt, lassen sich ES-Zellen nahe- weltweit verschiedene Ansätze und vergleichen sie
zu beliebig lange in Form sogenannter Zellli- miteinander.
nien aufbewahren und verschicken. Doch die
existierenden Linien unterscheiden sich erheb- Gleichzeitig geht auch die Suche nach weiteren
lich in Alter und Qualität. Um Forschern einen Stammzellquellen im Körper voran. Ein Beispiel sind
Überblick zu verschaffen, werden die Daten zu amniotische Stammzellen, die sich in großer Zahl im
Zelleigenschaften in Internet-Datenbanken Fruchtwasser wiederfinden. Für ihre Gewinnung ist
katalogisiert, eine davon ist das mit EU-Förder- weder die Arbeit mit Embryonen, noch eine Repro-
mitteln aufgebaute europäische Stammzellre- grammierung notwendig. Ob diese Zellen jedoch
gister hESCreg, das vom Berlin-Brandenburg über ein vergleichbares Differenzierungspotenzial
Centrum für Regenerative Therapien (BCRT) wie ES- oder iPS-Zellen verfügen, ist noch unklar.
und einer Stammzell-Einrichtung in Barcelona Eine neue Entwicklung aus den Stammzelllabors
geführt wird. Hier sind mehr als 650 ES-Zellli- ist die direkte Reprogrammierung. Hierbei ist es
nien verzeichnet. Forscher können so prüfen, gelungen, durch genetische und biochemische
ob die verfügbaren Zellen zu ihren Experi- Kommandos verschiedene Zelltypen ineinander
menten und zu ihrer Gesetzeslage passen. umzuwandeln, ohne den Umweg über Stammzel-
len zu gehen. So ist es bereits gelungen, Hautzellen
Mehr Informationen: www.hescreg.eu direkt in Nervenzellen umzuwandeln. Die Stamm-
zellforschung bleibt ein hochdynamisches Feld der
biomedizinischen Forschung.12 StaMMZEllEn: ZElluläRE MultItalEntE
wie sich Stammzellen für die Medizin nutzen lassen
Stammzellen haben ein vielseitiges Potenzial b) Adulte Stammzellen: Eine klinische Anwen-
für die Medizin. Biomediziner wollen sie im dung von adulten Stammzellen ist bei der
Labor gezielt zu einem speziellen Zelltyp oder Behandlung von Leukämien bereits seit Jahr-
zu Geweben heranreifen lassen. Wenn diese Re- zehnten klinische Routine. Durch die Transplan-
zepturen ausreichend sicher sind, dann sehen tation von immunologisch passenden Stammzel-
Experten drei Anwendungsbereiche: len eines Spenders kann das Blutbildungssystem
eines Krebskranken wieder neu aufgebaut
Krankheitsmodelle in der Petrischale: werden. Körpereigene Stammzellen aus dem
Krankheiten können besser erforscht werden, Knochenmark scheinen sich zudem – in krankes
da die betroffenen Zelltypen eines Patienten mi- Gewebe injiziert – für eine Therapie zu eignen,
hilfe von Stammzellen im Labor herangezüchtet indem sie vor Ort die körpereigene Regenerati-
und beobachtet werden können. Forscher kön- on ankurbeln. Eine weitere mögliche Anwen-
nen so den Stoffwechsel und die Genaktivität in dung: Forscher wollen Stammzellvorkommen
kranken Zellen untersuchen und die moleku- in erkrankten Organen durch Medikamente von
laren Ursachen der Krankheiten besser verste- außen gezielt zur Teilung anregen, um so die
hen. Vor allem schwierig zu erforschende Leiden Regeneration zu fördern.
wie die Amyotrophe Lateralsklerose, Krebs oder
Schizophrenie werden so besser zugänglich. c) induzierte pluripotente Stammzellen: Noch ist
unklar, ob sich diese umprogrammierten Zellen
wirkstoffsuche und arzneitests: direkt für therapeutische Zwecke nutzen las-
An aus Stammzellen gezüchteten Herz-, Le- sen. Vermutlich werden iPS-Zellen eher bei der
ber- oder Nervenzellen lassen sich chemische Wirkstoffsuche und für Arzneitests zum Einsatz
Substanzen und Medikamente auf Giftigkeit und kommen.
andere Nebenwirkungen in hoher Stückzahl
testen. So können Pharmahersteller schon früh
in der Medikamentenentwicklung aussagekräf-
tigere Schlüsse ziehen und womöglich Tierver-
suche reduzieren. Eine Vision für die personali-
sierte Medizin: An nachgezüchteten Zellen eines
Patienten könnte man durch Tests ermitteln,
welche Therapie zu ihm am besten passt.
Zelltherapie:
a) Embryonale Stammzellen: Bei Erkrankungen
wie Parkinson, Herzinfarkt oder Diabetes wer-
den ganz bestimmte Zelltypen im Körper zer-
stört und können sich nicht von alleine regene-
rieren. Im Labor nachgezüchtete Zellen sollen in
die betroffenen Organe transplantiert werden,
um dort die verlorengegangene Funktion zu
ersetzen. Bisher sind auf ES-Zellen aufbauende
Zellersatztherapien vor allem an Tiermodellen
durchgeführt worden. Für den Einsatz beim
Menschen sind noch viele Sicherheits- und
Nutzenaspekte zu klären. Erste Patientenstu-
dien mit ES-Zellpräparaten sind jedoch bereits Aus Stammzellen wollen Forscher Beta-Zellen gewinnen, die in
gestartet. der Bauchspeicheldrüse für die Produktion von Insulin sorgen.REGEnERatIonStEcHnoloGIEn: HElFER FÜR DIE MEDIZIn 13
Regenerationstechnologien: Helfer für die Medizin
Die Regenerative Medizin zielt darauf ab, Wichtigstes Werkzeug der Regenerativen Medizin
geschädigte Zellen, Gewebe oder organe im sind lebende Zellen, die für den Einsatz in einer
Therapie noch mit Wirkstoffen oder Biomaterialien
Körper zu ersetzen oder zu erneuern, um sie
kombiniert werden. Die Zellen werden entwe-
wieder funktionstüchtig zu machen. Diese der selbst innerhalb des Körpers zur Erneuerung
Verfahren bedienen sich lebender Zellen, die angeregt oder aber im Labor zu Ersatzgewebe
im labor herangezüchtet werden müssen. herangezüchtet. Für die Entwicklung dieser neu-
artigen Behandlungsstrategien arbeiten Forscher
Dabei kommt ein vielseitiger Mix an Metho-
aus den verschiedensten Wissenschaftszweigen
den aus der Zell- und Molekularbiologie zusammen – von der Biomedizin, der Biomaterial-
sowie den Ingenieurs- und Materialwissen- forschung, den Ingenieurswissenschaften bis hin zu
schaften zum Einsatz, die unter dem oberbe- einzelnen Disziplinen in der Chirurgie.
griff Regenerationstechnologien zusammen-
Zu den Regenerationstechnologien werden vier
gefasst werden können. wichtige Bereiche gezählt :
Innerhalb der Regenerativen Medizin wollen
Wissenschaftler nicht nur verstehen, wie Selbsthei- • Gewebeherstellung (tissue Engineering)
lungsprozesse des Körpers funktionieren. Sie wollen
dieses Wissen auch gezielt anwenden, um erkrank- • Zelltherapie
te oder verletzte Zellen, Gewebe oder Organe zu
heilen, teilweise wieder herzustellen oder ihre • anregung körpereigener Regeneration
Regeneration zu unterstützen. Mit diesem Ansatz (induzierte autoregeneration)
verbinden Ärzte nicht nur die Hoffnung, aufwen-
dige Organtransplantationen, rein technische • Gentherapie
Lösungen wie Prothesen oder etwa lebenslange Me-
dikamententherapien zu vermeiden. Bisher nicht
behandelbare Erkrankungen oder Verletzungen Für die Regenerative Medizin ist das Heranzüchten
sollen – so die Hoffnung – auch aus eigener Kraft von einzelnen Zellen und Zellverbänden im Labor
geheilt werden. von zentraler Bedeutung. Sie können einerseits als
Ersatzgewebe eingesetzt werden, andererseits aber
auch als Modell dienen, um die Funktionsweise
von Organen besser zu verstehen. Darüber hinaus
eignet sich im Labor erstelltes Gewebe auch für Me-
dikamententests, um Nebenwirkungen im Modell
zu erforschen (vgl. Kapitel Neue Tests), oder für die
Suche nach neuen Wirkstoffen in der Medizin. Die
künstliche Herstellung von Geweben in der Kul-
turschale wird Tissue Engineering genannt. Dieses
auch als in vitro -Gewebezüchtung bezeichnete
Feld ist ein noch junges Forschungsgebiet. Erst 1975
gelang es Forschern, menschliche Hautzellen im
Labor künstlich zu vermehren. Seitdem macht die
Disziplin große Fortschritte. Heute wird versucht,
möglichst dreidimensionale, organähnliche Gebil-
de aus verschiedenen Gewebetypen nachzuahmen.
Für einige einfach aufgebaute Ersatzgewebe wie die
Oberhaut, Knochen und Knorpel hat die aufwen-
dige Gewebetechnik bereits erste klinische Verfah-
ren hervorgebracht. Doch das Züchten von Zellen
Aus Polymeren lassen sich feine Fäden spinnen, die mit lebenden und ihre Kultivierung im Labor ist ausgesprochen
Zellen besiedelt werden können. schwierig und technisch anspruchsvoll. Dafür müs-14 REGEnERatIonStEcHnoloGIEn: HElFER FÜR DIE MEDIZIn
tissue Engineering – wie Gewebe im labor gezüchtet wird
1. Biopsie, entnommene
Zellisolierung Zellen
2. Zellvermehrung
Patient
4. Implantation
Trägerstruktur
3. Besiedelung
und Wachstum
im Bioreaktor
sen unterschiedliche Experten aus Lebenswissen- etwa bei embryonalen Stammzellen, spricht man
schaften, Material- und Ingenieurswissenschaften von allogenen Zellen. Zellen von Tieren, die für
zusammenarbeiten. Menschen verwendet werden, nennen sich xenogene
Transplantate. Hierzu gibt es inzwischen auch ein
So genannte biologisch-künstliche (bioartifizielle) eigenes Forschungsgebiet – die Xenotransplantation.
Gewebe oder Organe werden in drei Schritten herge-
stellt (siehe Grafik oben): Zellen eines bestimmten Geeignetes Zellmaterial für Gewebetechnolo-
Typs werden zunächst gewonnen und vermehrt. Im gen zu finden, ist nicht so einfach. So gestaltet sich
Labor werden sie auf speziellen Gerüstmaterialien zum Beispiel die Verwendung von ausgereiften
angesiedelt. In Kultursystemen, den sogenannten Gewebezellen meist schwierig: Sie sind oft nur mit
Bioreaktoren, werden die Zellen versorgt und zu hohem Aufwand zu gewinnen, noch dazu haben
Gewebeverbänden herangezüchtet, bis sie als funk- sie ihre Teilungsfähigkeit weitgehend verloren und
tionstüchtiges Transplantat wieder in den Patienten lassen sich deshalb in der Petrischale nur langsam
zurückverpflanzt werden können. vermehren. Die Hoffnung der Zellingenieure richtet
sich daher vor allem auf Stammzellen als Quelle, da
Die Gewinnung von Zellmaterial ist beim Tissue sich diese in verschiedene andere Zelltypen ver-
Engineering der entscheidende Ausgangspunkt. In wandeln lassen (vgl. Kapitel Stammzellen). Trotz er-
der Regel werden organspezifische Zellen verwen- folgsversprechender Ansätze gibt es hier allerdings
det, die vom Patienten selbst stammen. Diese – auch noch etliche Probleme zu lösen. Denn Stammzellen,
autolog genannten – Zellen liefern letztlich Trans- egal in welcher Vielseitigkeit sie vorliegen, müssen
plantate, die vom Körper nicht abgestoßen werden. mit geeigneten Rezepturen zuverlässig und voll-
Stammen die Zellen von anderen Menschen- wie ständig in einen gewünschten Zelltyp verwandeltREGEnERatIonStEcHnoloGIEn: HElFER FÜR DIE MEDIZIn 15
werden, ohne ein unstetes oder gar gefährliches stoffwissenschaftler wollen dieses natürliche Vorbild
Eigenleben zu entwickeln. im Labor so gut wie möglich nachahmen: Dazu werden
Trägermaterialien verwendet, die natürlichen (auch
Entscheidend für den Gewebezüchtungserfolg tierischen) oder synthetischen Ursprungs sind. Zum
ist auch das eingesetzte Trägermaterial. Siedelnde Einsatz kommen Hydrogele, Kollagene, mineralische
Zellen benötigen den Kontakt zu einer solchen Substanzen wie Calciumphosphate oder Keramiken
Struktur, um tatsächlich wachsen zu können. Im wie Aluminiumoxid. In manchen Fällen formen diese
Körper übernimmt diese Rolle als Trägerstruktur die Materialien poröse Strukturen, mit zahlreichen Hohl-
sogenannte extrazelluläre Matrix, ein komplexes räumen wie bei einem Schwamm. Zellen fühlen sich in
Netzwerk aus Eiweißen und Kohlenhydraten. Die solchen Nischen und Höhlen besonders wohl. Als Trä-
extrazelluläre Matrix enthält wichtige Biomoleküle germaterial werden auch Gewebe von Schweinen und
und Anhaftungsstellen, die dafür sorgen, dass sich Rindern benutzt. Mit einer Waschlösung werden die
Zellen richtig entwickeln. Bioingenieure und Werk- tierischen Zellen komplett aus einem Organ entfernt,
Biomaterialien: Maßgeschneiderte werkstoffe für die Regenerative Medizin
Für nahezu alle Techniken der Regenerativen
Medizin werden Biomaterialien benötigt.
Darunter werden synthetische Hightech-Werk-
stoffe verstanden, die in Kontakt mit lebendem
Körpergewebe kommen. Meist sind sie mit biolo-
gisch aktiven Molekülen beladen, damit sie von
Zellen und Geweben nicht abgestoßen werden
und sich möglichst gut in den Körper einpassen.
Biomaterialien dienen in der Gewebezüchtung
als Trägergerüst (Matrix), auf denen sich Zellen
ansiedeln können. Außerdem werden sie für Polymere haben Materialeigenschaften, die sich für
biologisch abbaubare Implantate eingesetzt, die Anwendungen in der Regenerativen Medizin nutzen lassen.
zum Beispiel bei Knochendefekten vorüberge-
hend als Lückenfüller und Wachstumsleitschie- Sie können sich also quasi per Knopfdruck
ne dienen. Auch bei der gezielten Verabreichung verformen und setzen dann Wirkstoffe je nach
von Medikamenten und Wirkstoffen (Drug Bedarf frei. Wichtig beim Design der neuar-
Delivery) im menschlichen Körper kommen tigen Kunststoffe: Um für den späteren Einsatz
Biomaterialien zum Einsatz. Hier tüfteln Mate- in einem Gewebe maßgeschneidert zu sein,
rialwissenschaftler an intelligenten Wirkstoff- müssen oftmals die Oberflächen der Polymere
depots. Künstliche Kapseln sollen empfindliche verändert werden – zum Beispiel zur Veranke-
Signaleiweiße in den Körper transportieren, sich rung biologisch aktiver Moleküle. So haben die
dann vor Ort öffnen und so die Selbstheilungs- Teltower Forscher Materialien hergestellt, auf
kräfte des Körpers aktivieren. denen hornhautbildende Zellen (Keratinozyten)
gut wachsen, die bindegewebsbildenden Fibro-
Forscher um Andreas Lendlein vom Teltower blasten jedoch nicht.
Zentrum für Biomaterialentwicklung des
Helmholtz-Zentrums Geesthacht setzen Projekt in der BMBF-Förderinitiative „Translations-
zum Beispiel auf Polymere als Ausgangsstoff zentren in der Regenerativen Medizin“:
für ihre Entwicklungen, die als sogenannte „Berlin-Brandenburg Center for Regenerative
Formgedächtnis-Kunststoffe dienen. Auf einen Therapies“
Wärme- oder Lichtreiz hin ändern diese intelli- Partner: Helmholtz-Zentrum Geesthacht,
genten Polymere ihre dreidimensionale Gestalt. Zentrum für Biomaterialentwicklung, TeltowSie können auch lesen
