Embryonale Stammzellen, Reprogramming, Tumorstammzellen, Mobilisierung hämatologischer Stammzellen

Forschung aktuell 5/2008

Selten hat ein Forschungsgebiet so viele Hoffnungen geweckt und gleichzeitig kontroverse Diskussionen in der breiten Öffentlichkeit ausgelöst, wie die Stammzellforschung. Selbst Fachleuten gelingt es kaum mehr, die Übersicht über das rasch wachsende Wissen auf diesem Gebiet zu behalten. Das renommierte Wissenschaftsjournal Nature bietet derzeit auf folgenden Webseiten aktuelle Informationen:
http://www.nature.com/news/archive/keyword/stem+cells.html
http://www.nature.com/reviews/focus/stemcells/index.html

Drei Schwerpunkte sollen aus diesem derzeit frei zugänglichen Review hervorgehoben werden:
1. Embryonale Stammzellen (ES) werden aus der inneren Zellmasse (ICM) der Blastozyten gewonnen (Alter: ca. 3,5 Tage nach dem Koitus) und können unter bestimmten Bedingungen ohne Verlust ihrer Teilungsfähigkeit und Pluripotenz kultiviert werden. Die genetische und vor allem die epigenetische Kontrolle dieser pluripotenten Zellen sind für das Verständnis des normalen Ablaufs der Embryogenese erforderlich. Die ungelösten technischen Probleme bei der Kultivierung der ES werden noch über Jahre Forschungskapazität binden, ehe an eine klinische Anwendung gedacht werden kann. S. Nishikawa et al.: Embryonic stem-cell culture as a tool for developmental cell biology. Nature Reviews Molecular Cell Biology 8, 502–507 (2007)

Anmerkung: Ethische Fragen limitieren die Forschung mit ES in vielen Ländern. Der deutsche Bundestag hat kürzlich (11. 4. 2008) eine Verschiebung des Stichtags zum Import kultivierter ES beschlossen. Bisher durften nur ES, die vor dem 1. 1. 2002 gewonnen und kultiviert wurden, verwendet werden. Neuer Stichtag ist der 1. Mai 2007. Zur Rechtslage in Österreich siehe Ch. Kopetzky (IERM – Inst. f. Ethik und Recht): Tagung Stammzellforschung, 17.–18. 1. 2008, http://www.bka.gv.at/DocView.axd?CobId=27204.

2. Reprogramming von adulten Zellen in ES: Die angesprochenen ethischen Probleme könnten umgangen werden, wenn differenzierte Zellen in den embryonalen Zustand zurückversetzt werden könnten. E. Kritikou: Introducing the next generation. Nature Reviews Molecular Cell Biology 8, 512 (2007). Die Gruppe um S. Yamanaka zeigte, dass die Expression von wenigen Transkriptionsfaktoren (OCT4; SOX2; C-myc und KLF4) Mäusefibroblastenzellen in einen pluripotenten Zustand versetzen konnte. Mittlerweile gibt es schon die 2. Generation sogenannter iPS (induced pluripotent stem cells) – vgl.: Generation of Pluripotent Stem Cells from Adult Mouse Liver and Stomach Cells. Science, Feb. 14 2008; [Epub ahead of print[DOI: 10.1126/science.1154884], http://www.sciencemag.org/cgi/rapidpdf/1154884v1.pdf.

3. Tumorstammzellen: In vielen Malignomen lassen sich sogenannte Tumorstammzellen identifizieren. Besonderes Interesse findet eine Arbeit, die solche Zellen bei Hirntumoren gefunden hat:
A. L.Vescovi et al.: Brain tumour stem cells. Nature Reviews Cancer 6, 425–436 (2006). Die Erkenntnis, dass auch im Gehirn erwachsener Individuen Stammzellen zu finden sind, ist noch sehr jung. Welche therapeutischen Möglichkeiten sich aus diesen Forschungsergebnissen ableiten lassen, ist noch sehr schwer abschätzbar.

Bis heute ist die Therapie mit hämatologischen Stammzellen das einzige etablierte Anwendungsgebiet von Stammzellen. Allerdings gibt es selbst auf diesem Sektor trotz der langjährigen Erfahrungen noch immer viel Unbekanntes. Im Rahmen einer Serie von Reviews anlässlich des 50-jährigen Bestehens der American Society of Hematology (ASH), http://www.hematology.org/, erschien in der Zeitschrift Blood (15. 4. 2008), www.bloodjournal.org, ein Beitrag, der die neuesten Entwicklungen auf dem Gebiet der Stammzellmobilisierung zusammenfasst:

Th. Papayannopoulou, D. T. Scadden: Stem-cell ecology and stem cells in motion. Blood (2008) 111: 3923–3930, www.bloodjournal.org.
Seit Till and McCulloch 1961 das Konzept hämatologischer Stammzellen etablierten, wird an der Erforschung der Bedingungen, unter denen die Vermehrung dieser Zellen möglich ist, intensiv gearbeitet. Das Konzept der dreidimensionalen Stammzellnische wurde von Schofield bereits 1978 postuliert, konnte aber erst 1998 durch die Experimente von Xie and Spradling am Modell der Drosophila melanogaster bewiesen werden.
Siehe auch Forschung aktuell Mai 2006: Immunologie/Microenvironment: Auf die Nische kommt es an!

Derzeit gibt es zwei Forschungsschwerpunkte:

1. die pharmakologische Beeinflussung der Nischenbiologie, wobei derzeit bereits erste klinische Studien laufen,
2. die Beschreibung pathologischer Veränderungen und die Auswirkungen von hämatologischen Erkrankungen auf die Funktion der Stammzellnische. Man nimmt derzeit an, dass Leukämiestammzellen nicht im selben Maße wie normale Stammzellen vom Microenvironment abhängig sind.

Obwohl Alexander Maximow bereits 1924 die Migration der hämatologischen Stammzelle voraussagte, dauerte es bis zur erfolgreichen Mobilisierung von hämatopoietischen Stammzellen noch mehr als 60 Jahre. Die Gewinnung aus dem peripheren Blut zu therapeutischen Zwecken war an die Entdeckung und Klonierung der hämatopoietischen Wachstumsfaktoren (1980–1990) gebunden. Die Mobilisation von Stammzellen ist ebenso wie das Homing im Knochenmark ein komplexer biologischer Prozess, wobei die Erforschung des komplexen Zusammenspiels von Interleukinen bzw. Chemokinen mit den Wachstumsfaktoren noch keineswegs abgeschlossen ist. Adhäsionsmoleküle, vor allem  4β1-Integrin und das CXCR4/CXCL12- (Chemokin-)Signalling sind für die Stammzellhomeostasis und den Crosstalk zwischen Knochenmarksstroma und Endothel wichtig und könnten ganz neue therapeutische Möglichkeiten eröffnen. Allerdings zeigten die Experimente auch, dass Leukämiestammzellen dieselben Mechanismen zu ihrer Expansion benützen. Eine hohe Expression von  4β1 oder CXCR4 auf Leukämiezellen ist mit einem aggressiven Verlauf und verminderter Sensitivität auf Chemotherapie vergesellschaftet.

Trotz vieler offener Fragen gibt es bereits erste klinische Anwendungen, wie in der Märzausgabe der Zeitschrift Haematologica nachzulesen ist: http://www.haematologica.org/

R. M. Lemoli, A. D’Addio: Hematopoietic stem cell mobilization. Haematologica (2008) 93: 321–324, http://www.haematologica.org/.
Die Autoren geben im Editorial einen Überblick über Moleküle, die die Interaktion zwischen hämatopoietischen Stammzellen und ihrer Nische beeinflussen. Die Wirkung tritt innerhalb von Minuten bis wenigen Stunden ein. (Zum Vergleich: Bei konventionellen Zytokinen wie G-CSF dauert es vier bis sechs Tage.) AMD3100 blockiert spezifisch und reversibel die Bindung von SDF1 (Stroma Derived Factor CXCL2) an CXCR4. Eine Dosis von 240 µg/kg of AMD3100 war der Standardbehandlung mit G-CSF bei der Mobilisierung von Stammzellen in klinischen Studien gleichwertig. Die Substanzen wirken synergistisch, was die erfolgreiche Mobilisierung bei „Poor Mobilizern“ ermöglicht. Neue Entwicklungen, die bisher nur im Tierversuch erfolgversprechend geprüft wurden, sind Peptide, die die Interaktion von CXCR4/SDF-1 beeinflussen.

Auch eine weitere Arbeit in diesem Heft zeigt mögliche Antworten auf die Frage, ob verschiedene Zytokine unterschiedliche Populationen von Stammzellen mobilisieren:

I. Bruns et al.: Pegylated granulocyte colony-stimulating factor mobilizes CD34+ cells with different stem and progenitor subsets and distinct functional properties in comparison with unconjugated granulocyte colony-stimulating factor. Haematologica (2008) 93: 347–355, http://www.haematologica.org/.
Ein Vergleich des Genexpressionsmuster zeigte Unterschiede je nachdem, ob die Stimulation mit PEG-G-CSF oder mit unkonjugierten G-CSF erfolgte. PEG-G-CSF-mobilisierte CD34+-Zellen zeigten das Muster früher Stammzellstadien mit Expression von HOX-Homeoboxgenen, MEIS1 and MLL und unterstreicht die Tatsache, dass es sich bei hämatologischen Stammzellen keineswegs um eine homogene Gruppe von Zellen handelt.

Allerdings dürften die geringen Unterschiede nicht klinisch relevant sein, wie eine Arbeit aus der klinischen Anwendung dieser Wachstumsfaktoren zeigt: N. Russell et al.: A phase 2 pilot study of pegfilgrastim and filgrastim for mobilizing peripheral blood progenitor cells in patients with non-Hodgkin’s lymphoma receiving chemotherapy. Haematologica (2008) 93: 405–412, http://www.haematologica.org/.
In der 3-armigen doppelblinden, multizentrischen Studie an insgesamt 92 Patienten mit Non-Hodgkin-Lymphomen wurde die Wirkung von PEG-GCF (Dosierung 6 mg und 12 mg einmalig am Tag 4) mit GCSF (Filgastrim 5µ/kg/d beginnend mit Tag 4 bis zum Ende der Leukapheresen) verglichen. Es konnte kein Unterschied gefunden werden. Bemerkenswert ist, dass nur 63 % aller Patienten die Phase der Stammzellernte beendeten. Die Ausbeute war verglichen mit anderen Studien bemerkenswert gering: Mean CD34+ Harvest/Leukapherese war 0,8 (0,5–1,4), 0,8 (0,5–1,6) und 1,2 (0,7–2,0) x 106 cells/kg bei pegfilgrastim 6 mg, pegfilgrastim 12 mg und filgrastim. Nur 20 (69 %), 17 (59 %) und 23 (72 %) der Patienten erreichten das für die Reinfusion von Stammzellen geforderte Minimum von  2 x 106 Zellen/kg. Die Aussagekraft der Studie ist limitiert, unterstreicht aber die Problematik von Studien an einem sehr heterogenen Krankengut mit fortgeschrittenen Krankheitsstadien und unterschiedlicher Vortherapie.

Die schlechten Ergebnisse unterstreichen allerdings den Bedarf an den oben genannten innovativen Optionen.