Molekulare Biotechnologie und Stammzellforschung allgemein

Stammzellen sind noch nicht oder wenig spezifizierte Zellen, die sich jedoch in eine Vielzahl verschiedener Zelltypen weiterentwickeln können und z.T. ein nahezu unbegrenztes Vermehrungspotential aufweisen. Im erwachsenen Menschen finden sich Stammzellen in verschiedensten Organen und differenzierten Geweben und sind dort unverzichtbar für die ständige Geweberegeneration und Wundheilung. Diese adulten Stammzellen besitzen jedoch in der Regel eine begrenzte Kapazität, sich selbst zu erneuern und zu differenzieren, so dass ihre Anwendbarkeit für zellbasierte regenerative Therapien beschränkt ist.

 

Im Gegensatz dazu haben embryonale Stammzellen (ES-Zellen) nicht nur ein unbegrenztes Vermehrungspotential, im Embryo bilden sie letztendlich auch alle Zelltypen des Körpers einschließlich Herzmuskelzellen und Zellen des Atemwegepithels. Generell würden ES-Zellen damit eine hervorragende Zellquelle für neuartige therapeutische Konzepte der regenerativen Medizin darstellen, allerdings liegen solche Zellen in der Regel nicht autolog vor, d. h. sie unterscheiden sich genetisch vom potenziellen Empfänger und würden wie transplantierte Organe immunologischen Abstoßungsreaktionen unterliegen. Außerdem ist die Verwendung von menschlichen ES-Zellen ethisch höchst umstritten, da für Ihre Gewinnung Embryonen zerstört werden müssen.

 

Die 2006 erstmals von S. Yamanaka beschriebenen sogenannten induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS-Zellen) ähneln ES-Zellen stark in Eigenschaften und Funktionalität und können in ähnlicher Art und Weise praktisch unbegrenzt vermehrt und in eine Vielzahl von Zelltypen differenziert werden. Im Gegensatz zu ES-Zellen werden iPS-Zellen in vitro durch eine sogenannte Reprogrammierung von adulten, somatischen Zellen gewonnen. Bei diesem Prozess wird das adulte Genexpressionsmuster durch das zusätzliche Einbringen von Genen, sogenannten Pluripotenzfaktoren, in einen früh-embryonalen Zustand zurückversetzt. Dabei wird mit Hilfe des Reprogrammierungprozesses nicht nur die ethische Problematik der Zerstörung von Embryonen umgangen, sondern es können sogar patienten- oder krankheitsspezifische Stammzelllinien gewonnen werden, die nun nicht nur völlig neue Werkzeuge für die Erforschung genetischer Erkrankungen oder das Screening auf innovative medizinische Wirkstoffe darstellen, sondern zukünftig auch Grundlage für die Herstellung unterschiedlicher patienteneigener Zellen in notwendiger Zahl für zelltherapeutische Zwecke sein werden. Nicht unerwähnt bleiben sollte allerdings, dass vor ersten klinischen Anwendungen potenzielle Risiken, wie die Bildung von so genannten Teratomen oder auch Tumoren basierend auf chromosomalen Abnormalitäten, detailliert untersucht und minimiert werden müssen.

Im Arbeitsbereich Molekulare Biotechnologie und Stammzellforschung der Leibniz Forschungslaboratorien für Biotechnologie und künstliche Organe fokussiert sich die Forschung im Wesentlichen auf die detaillierte Untersuchung der molekularen Abläufe der Reprogrammierung, die genetische Modifikation von iPS-Zellen, die Differenzierung von Stamm- und Vorläuferzellen zu Kardiomyozyten, Lungenepithel und Endothelzellen sowie die Massenproduktion differenzierter Zellen.


Die Grundlage für die Entwicklung neuer zellbasierter Therapien für die Behandlung von kardialen und pulmonalen Erkrankungen bilden dabei in erster Linie Untersuchungen auf molekularer und zellulärer Ebene. Dabei richtet sich unsere Forschung weniger auf adulte bestehende Stammzellen und ES-Zellen, sondern vornehmlich auf iPS-Zellen, welche ein innovatives Instrument für die Entschlüsselung von Krankheitsmechanismen, das Wirkstoffscreening und patientenspezifische Therapien sind.


So werden aus ES- und iPS-Zellen abgeleitete Kardiomyozyten für die Herstellung bioartifiziellen Herzmuskels eingesetzt, während andere Projekte die Entwicklung eines stammzellbasierten biologischen Herzschrittmachers oder die Behandlung genetischer Lungenerkrankungen mit Hilfe von Stammzellderivaten zum Ziel haben. Darüber hinaus stellt die Etablierung von effizienten und zelltypspezifischen Gentransfermethoden, insbesondere für die Anwendung in verschiedenen Stammzelltypen, einen technologischen Schwerpunkt des Arbeitsbereiches dar.