Regenerative Medizin mit adulten Stammzellen aus dem Knochenmark Florian Tögel, Claudia Lange, Axel R. Zander, Christof Westenfelder

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1 ÜBERSICHTSARBEIT Regenerative Medizin mit adulten Stammzellen aus dem Knochenmark Florian Tögel, Claudia Lange, Axel R. Zander, Christof Westenfelder ZUSAMMENFASSUNG Einleitung: Die regenerative Medizin hat die Wiederherstellung physiologischer Strukturen kritisch geschädigter Organe zum Ziel. Eine vielversprechende Quelle für therapeutische Ansätze sind Stammzellen aus dem Knochenmark (KMS). KMS werden bereits seit Langem in der Onkologie eingesetzt und sind aufgrund ihres regenerativen Potenzials und optimalen Sicherheitsprofils für zelltherapeutische Ansätze geeignet. Methoden: Überblick über den gegenwärtigen Stand der klinischen Forschung zur Utilisierung von KMS zur Organregeneration anhand einer selektiven, auf Medline basierenden Literatursuche. Ergebnisse: Es wurden viele klinische Studien zur Organregeneration mittels KMS publiziert. Hierbei wurden eine endogene Mobilisierung mittels Wachstumsfaktoren, eine direkte Applikation von hämatopoetischen Stammzellpopulationen und eine Injektion expandierter mesenchymaler Stammzellen untersucht. Klinische Studien konnten zeigen, dass eine Therapie mit KMS bei unterschiedlichen Krankheitsbildern, zum Beispiel dem Myokardinfarkt, sicher und wirksam ist. Diskussion: Die Therapie mit KMS zur Organregeneration ist sicher und durchführbar, und die klinische Wirksamkeit der Therapie konnte bei einigen Krankheitsbildern in randomisierten Studien nachgewiesen werden. Trotz dieser vielversprechenden Ansätze bleiben noch wichtige Fragen unbeantwortet. Dtsch Arztebl 2007; 104(23): A Schlüsselwörter: adulte Stammzelle, hämatopoetische Stammzelle, klinische Forschung, Therapiestudie SUMMARY REGENERATIVE MEDICINE WITH ADULT BONE MARROW DERIVED STEM CELLS Introduction: The aim of regenerative medicine is the reconstitution of the physiological structure of critically damaged organs. Bone marrow derived stem cells (BMDCs) show promising therapeutic potential. BMDCs are already used in oncology and are ideally suited for regenerative medicine due to their regenerative potential and safety profile. Methods: Overview of recent clinical studies using BMDCs for regenerative medicine based on a selective Medline search. Results: Numerous studies of regenerative medicine have been published. Therapeutic strategies include stem cell mobilization, direct injection of bone marrow preparations and expanded mesenchymal stem cells. Clinical studies have demonstrated the safety and efficacy of BMDCs in certain diseases, such as myocardial infarction and graft versus host disease. Discussion: Treatment with BMDCs for organ regeneration is feasible, safe and has been shown to be clinically effective in randomized trials. Despite these promising initial results many questions remain unanswered pending forthcoming large trials. Dtsch Arztebl 2007; 104(23): A Key words: adult stem cell, hematopoietic stem cell, clinical research, study V iele wissenschaftliche Arbeiten sind seit den bahnbrechenden Veröffentlichungen von Prockop (1), Ferrari (2), Bjornson (3) und Petersen (4) über das unerwartete Differenzierungspotenzial von Knochenmarkstammzellen (KMS) erschienen und haben zu Diskussionen angeregt, die weltweites Echo gefunden haben. Dieses anfänglich als Transdifferenzierung, mittlerweile aber genauer als Plastizität beschriebene Phänomen hat der regenerativen Medizin neue Möglichkeiten eröffnet und Forschung stimuliert. Mittlerweile ist die Zahl der Veröffentlichungen zu KMS exponenziell angewachsen; es sind Phase-1-, -2- und -3- Studien angelaufen. Zelltherapeutische Konzepte in der Medizin Die Idee, Zellen zur Heilung von Krankheiten einzusetzen, ist keineswegs neu. Der Schweizer Arzt Paul Niehans entwickelte und propagierte bereits 1931 Injektionen von verschiedenen Zelltypen als Verjüngungskur und Heilmittel gegen Krankheiten und prägte den Begriff der Zellulartherapie, der dann unter der populären Bezeichnung Frischzellen bekannt wurde und 1997 als Therapieform in Deutschland verboten wurde (5). Knochenmarkzellen zur Therapie nach letaler Bestrahlung wurden seit circa 1950 erforscht und führten zur Entwicklung der Knochenmarktransplantation (KMT) als erfolgreiche Therapie von Erkrankungen des Knochenmarks. Die KMT etablierte sich als erste erfolgreiche Zelltherapieform in der Klinik, und der Pionier dieser Therapie, E. Donnell Thomas, wurde 1990 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet (6). Zelltherapeutische Ansätze haben gegenüber pharmazeutischen den Vorteil, dass Zellen flexibel und gezielt auf unterschiedliche normale und pathologische Situationen im Körper reagieren können systemisch Division of Nephrology, University of Utah and VA Medical Center, Salt Lake City, Utah: Dr. med. Tögel, Ph. D. Interdisziplinäre Klinik und Poliklinik für Stammzelltransplantation, Universitätsklinikum Eppendorf, Hamburg: Dr. rer. nat. Lange, Prof. Dr. med. Dr. h. c. Zander Division of Nephrology/ Department of Medicine, University of Utah and VA Medical Center, Salt Lake City: Prof. Dr. med. Westenfelder Deutsches Ärzteblatt Jg. 104 Heft Juni 2007 A 1663

2 GRAFIK 1 und die Nutzung embryonaler Stammzellen kontrovers diskutiert. Dabei wird die Diskussion auf embryonale Stammzellen fokussiert und häufig übersehen, dass Stammzellen aus dem Knochenmark (KMS) bereits sehr gut charakterisiert und für einen großen Teil der Therapiestrategien der regenerativen Medizin geeignet sind. Stammzellen aus dem Knochenmark Hämatopoietische Stammzellen Infundiertes Knochenmark ermöglicht das Überleben letal bestrahlter Tiere. Mit diesen Experimenten wurde zum ersten Mal die Existenz einer hämatopoietischen Stammzelle nachgewiesen (7). Hämatopoietische Stammzellen (HSC) sind im Knochenmark lokalisiert, besitzen keine Differenzierungsmarker reifer Leukozyten und haben bestimmte charakteristische Oberflächenantigene (8). HSC produzieren über verschiedene Zwischenstufen (Progenitorzellen) alle differenzierten Blutzellen (Erythrozyten, Leukozyten, Thrombozyten). Unter bestimmten Bedingungen, hauptsächlich nach Gewebeschaden, sind HSC in der Lage, in andere Zelltypen als Blutzellen zu differenzieren, zum Beispiel in Muskel-, Leber- oder Hautzellen (9, e49). Differenzierungsmöglichkeiten von Knochenmarkstammzellen durch Sekretion verschiedener Faktoren und lokal durch parakrine und adhäsive Interaktionen und dabei viele pathogenetische Mechanismen therapeutisch beeinflussen. Zudem besteht die Möglichkeit der Integration in geschädigte Gewebe, entweder als differenzierte Parenchymzellen oder als undifferenzierte Stromazellen, die somit eine dauerhafte Veränderung des lokalen Milieus bewirken können. Diese Eigenschaften machen die Entwicklung von zellulären Therapien vielversprechend und attraktiv. Naturgemäß muss bei der Entwicklung von Therapien auf Risiken und Nebenwirkungen geachtet werden. Dies ist weniger bei der autologen (Verwendung von körpereigenen Zellen) als bei der allogenen (Verwendung von Spenderzellen) Zelltherapie gegeben. Mögliche Risiken beinhalten eine unkontrollierte Immunreaktionen (Anaphylaxis, Abstoßung, Immunreaktionen gegen Empfängergewebe), Embolisierung von Kapillaren, Fibrosierungsreaktionen und maligne Entartung applizierter Zellen. Der Vorteil von Knochenmarkzellen gegenüber embryonalen Stammzellen ist die ethische Unbedenklichkeit und leichtere Verfügbarkeit dieser Zellen. Regenerative Medizin Der Begriff regenerative Medizin wurde von William A. Haseltine geprägt und bezeichnet die Nutzung und Anwendung innovativer medizinischer Therapien unter Verwendung von Biomaterialien, Zellen und hybriden Organen mit dem Ziel des Wiederaufbaus physiologischer Organstrukturen geschädigter Organe. Obwohl die Nutzung von Stammzellen einen großen Teil der regenerativen Medizin ausmacht, geht diese weit darüber hinaus. In der Öffentlichkeit werden auf Stammzellen basierende Therapien jedoch bevorzugt Mesenchymale Stammzellen Mesenchymale Zelltypen können aus dem Knochenmark gewonnen und kultiviert werden. Friedenstein bezeichnete diese als marrow stromal cells oder mesenchymal stem cells (10, 11). Diese Zellen sezernieren Wachstumsfaktoren für HSC und differenzieren in Knochen, Knorpel und Fettzellen sowie in andere mesenchymale Zelltypen (Grafik 1). Mesenchymale Stammzellen (MSC) sind neben HSC die zweite Stammzellpopulation im Knochenmark (14). Ihre große Versatilität, die leichte Vervielfältigung in Kultur mittels autologen Serums ohne Rinderserum (15) sowie die gute Transduzierbarkeit mit gentherapeutischen Vehikeln, um potenzielle therapeutische Gene zu applizieren, machen MSC zum idealen therapeutischen Zelltyp. MSC werden aus vielen Organen und Geweben gewonnen und in der Literatur je nach Isolierungsmethode unter verschiedenen Namen gelistet: high-potential MSCs (16), multipotenzielle adulte Progenitorzellen (MAPC) (14) und marrow-isolated adult multilineage inducible (MIAMI) cells (17). Gewebeschaden und Mechanismen der Regeneration Der menschliche Organismus besteht aus verschiedenen Geweben unterschiedlicher Komplexität, die individuelle Regenerationskapazitäten besitzen. Einige Gewebe, zum Beispiel Knochenmark, Darmschleimhaut und Haut, sind einem kontinuierlichen Zellerneuerungsprozess unterworfen, der auch die Geweberegeneration nach starker Schädigung ermöglicht, andere Gewebe haben jedoch einen geringen Zellverschleiß und eine niedrige Zellteilungsrate im A 1664 Deutsches Ärzteblatt Jg. 104 Heft Juni 2007

3 Gleichgewichtszustand. Lange bestehende Dogmen, aus denen hervorgeht, dass Zellen mancher Organe sich nicht mehr teilen und keine Stammzellen besitzen, wurden durch die Entdeckung von Stammzellen in Herz und Gehirn erschüttert. Die Bedeutung dieser noch weitgehend uncharakterisierten Stammzellpopulationen für die Geweberegeneration ist noch unklar (18). Organe wie Herz, Leber und Niere reagieren auf eine starke Schädigung mittels Toxinen oder Ischämie mit einer narbigen Regeneration, die die Gewebearchitektur und Funktion beeinträchtigt (Grafik 2). Die Beeinflussung dieser schädlichen Regenerationsmechanismen, direkt oder indirekt, stellt einen vielversprechenden pathophysiologisch orientierten Behandlungsansatz dar und ist durch die Fortschritte in der Charakterisierung von Knochenmarkstammzellen in die Nähe des klinisch Möglichen gerückt. Strategien für den Einsatz von Knochenmarkstammzellen zur Geweberegeneration sind entweder die endogene Mobilisierung mittels Wachstumsfaktoren und/oder die lokale oder systemische Injektion autolog oder allogen gewonnener Stammzellpräparationen ungereinigt oder nach Aufreinigung von spezifischen Zellfraktionen durch Selektion von Oberflächenmarkern (Grafik 3). Methoden Fragestellung Der Beitrag gibt eine Übersicht der derzeitigen klinischen Situation der therapeutischen Anwendung von Knochenmarkstammzellen in der regenerativen Medizin. Die Autoren gehen der Frage nach, bei welchen Erkrankungen Knochenmarkstammzellen (HSC und MSC) mit dem Ziel der Geweberegeneration verwendet werden. Die Therapie onkologischer Erkrankungen, bei der autologe und allogene Transplantationstechniken evaluiert werden, wurden mit Ausnahme der Applikation von MSC zur Verbesserung des Engraftments und der Graft-versus-Host-Disease nicht berücksichtigt. Die Literatursuche erfolgte über Medline mit den folgenden Stichworten: bone marrow stem cells, transplantation, regeneration, heart, stroke, lung, kidney, intestine, liver, clinical trial, application, injection, toxicity, mobilization. Relevante Beiträge wurden anhand folgender Kriterien ausgewählt: klinische Anwendung von Stammzellen aus dem Knochenmark in kontrollierten Studien mit dem primären Ziel der Organregeneration oder der Prävention der GvHD keine primäre Anwendung in der Therapie der onkologischen/hämatologischen Erkrankungen bei seltenen Erkrankungen wurden alle Studien, die in Medline gelistet wurden, berücksichtigt. In Fächern, in denen große randomisierte Studien vorliegen, wie in der Kardiologie, wurden die Studien mit den größten veröffentlichten Patientenzahlen ausgewählt. GRAFIK 2 Mögliche Folgen bei einem Gewebeschaden. Die verschiedenen Organe haben ein unterschiedliches Regenerationspotenzial. Dieses ist hoch bei Leber, Knochenmark, Niere und niedrig bei Herz und Gehirn. GRAFIK 3 G-CSF granulocyte colony stimulating factor GM-CSF granulocyte-macrophage colony stimulating factor SDF-1 stromal derived factor-1 SCF stem cell factor AMD3100 ein Molekül, das SDF-1 blockiert Ergebnisse Mobilisierung von Stammzellen HSC sind unter normalen Bedingungen im Knochenmark in der Nähe von Osteoblasten lokalisiert und zirkulieren nur in sehr geringer Zahl. Eine Chemotherapie oder hämatopoietische Wachstumsfaktoren lassen jedoch die Anzahl von HSC im Blut exponenziell ansteigen ein Prozess, der als Mobilisierung bezeichnet wird. Dies wird in der Hämatologie zur einfachen und effektiven Gewinnung von Stammzelltransplantaten ausgenutzt. Der am häufigsten verwendete Wachstumsfaktor ist derzeit G-CSF ( granulozyte-colony stimulating factor ). Die subkutane Injektion von G-CSF zweimal täglich erhöht die Zahl der HSC im Blut nach circa 5 Tagen messbar. Der Mechanismus der Mobilisierung ist immer noch weitgehend unbekannt, beinhaltet aber Chemokine (SDF-1) und proteolytische Enzyme (19). Die Stammzellen werden durch von geschädigtem Gewebe sezernierten Che- Deutsches Ärzteblatt Jg. 104 Heft Juni 2007 A 1665

4 mokinen (zum Beispiel SDF-1) zu ihrem Wirkort geleitet. Wachstumsfaktoren erhöhen als Nebeneffekt jedoch auch die periphere Leukozytenzahl, was potenziell schädlich sein kann. Die Mobilisierung von Stammzellen kann therapeutischen Nutzen in unterschiedlichen Tiermodellen entfalten, unter anderem beim Myokardinfarkt und Schlaganfall (20 23). Jedoch wurden am Herzen in anderen Untersuchungen keine (24) oder schädliche Effekte nach einer Mobilisierung ermittelt (25). Welche Mechanismen bei der therapeutischen Stammzellmobilisierung eine Rolle spielen, ist weitgehend unbekannt. In diesem Zusammenhang wird eine Differenzierung von HSC in Organzellen, eine verstärkte Angiogenese und direkte Effekte von G-CSF auf geschädigte Zellen diskutiert (e1 e3). Basierend auf diesen Annahmen und entsprechenden experimentellen Daten wurden klinische Studien durchgeführt. Eine Übersicht der größten Studien gibt die Tabelle 1. Kleinere initiale Studien haben die Sicherheit und mögliche Effektivität von G-CSF in der klinischen Anwendung bei Herzerkrankungen belegt (e4 e6). Die FIRSTLINE-AMI-Studie zeigte eine signifikante Verbesserung der Ejektionsfraktion (LVEF) in der G-CSF-Behandlungsgruppe im Vergleich zur Kontrollgruppe von 48 auf 56 % ein Jahr nach der Behandlung (e7). 3 größere randomisierte Studien fanden jedoch keine signifikante Verbesserung der LVEF und Infarktgröße nach G-CSF-Behandlung (e8, e9, e54). Möglicherweise ist die in kleineren Studien ohne adäquate Kontrollgruppen festgestellte therapeutische Effektivität auf die endogene Regeneration subletal geschädigten Myokardgewebes zurückzuführen (e50). Die Gabe von G-CSF nach einem Myokardinfarkt ist verträglich und sicher, und weitere große Studien sind notwendig, um das tatsächliche Potenzial der Mobilisierung von Stammzellen zu untersuchen (e50). Des Weiteren hat G-CSF direkte Effekte auf geschädigte Zellen, die möglicherweise ein unterschiedliches Dosierungsschema und Zeitfenster benötigen (e1 3). Die Mobilisierung mit G-CSF nach einem Schlaganfall erwies sich in einer kleinen randomisierten Studie nach einem halben Jahr als wirksam. Die National Institute of Health Stroke Scale (NIHSS), ein Standardtest zur Evaluation des neurologischen Schadens nach Schlaganfall, verbesserte sich um 59 %, im Vergleich zu 39 % in der Kontrollgruppe (e15). GM-CSF wird aufgrund der etwas geringeren Effektivität im Vergleich zu G-CSF und mehr Nebenwirkungen seltener zur Mobilisierung von Stammzellen eingesetzt. GM-CSF beeinflusst jedoch die Arteriogenese (e10). Daher wurde dieser Faktor in klinischen Untersuchungen bei der peripheren arteriellen Ver- TABELLE 1 Die wichtigsten derzeit veröffentlichten klinischen Studien der Mobilisierung von Knochenmarkstammzellen zur Organregeneration Organ Indikation Protokoll Patienten, Studienart Ergebnis Referenz Herz ST-Streckenhebung 10 µg/kg G-CSF 114, randomisiert, kein Einfluss auf Infarktgröße, Zohlnhofer et al. (e9) Myokardinfarkt oder Placebo doppelblind LVEF oder Restenosierungsrate Herz ST-Streckenhebung 10 µg/kg G-CSF 78, prospektiv, kein Einfluss auf systolische Ripa et al. Myokardinfarkt oder Placebo randomisiert, doppelblind Wanddicke, Ejektionsfraktion STEMMI (e8) Herz ST-Streckenhebung 10 µg/kg G-CSF 50, Randomisierung nach verbesserte enddiastolische Wanddicke, FIRSTLINE AMI (e7) Myokardinfarkt Reperfusionstherapie signifikante Verbesserung der LVEF in Behandlungsgruppe Herz ST-Streckenhebung 5 µg/kg G-CSF 20, randomisiert kein Unterschied des Perfusionsdefektes, Valgimigli (e13) Myokardinfarkt (4 Tage) LVEF-Anstieg nicht signifikant Herz transmuraler 10 µg/kg G-CSF 23, nicht randomisiert, signifikanter Anstieg der Ejektions- Kuethe (e14) Myokardinfarkt 7 Tage, open-label fraktion in beiden Gruppen, 48 h nach Stent größer bei mobilisierten Patienten Herz ST-Streckenhebung G-CSF 44, randomisiert, nach 3 Monaten keine signifikante Engelmann et al. (e54) Myokardinfarkt 10 µg/kg/tag doppelblind, placebo- Verbesserung der LVEF bei mobilisierten G-CSF STEMI (5 Tage) kontrolliert Patienten im Vergleich zur Kontrollgruppe Herz koronare 40 µg GM-CSF 21, randomisiert, Anstieg des koronaren Kollateralflusses (e11) Herzkrankheit intrakoronar, doppelblind, placebo- der Behandlungsgruppe (KHK) 10 µg/kg kontrolliert (2 Wochen s.c.) Gefäße arterielle 10 µg/kg GM-CSF 40, randomisiert, keine Unterschiede in der Laufzeit (e12) Verschlusskrankheit alle 2 Tage placebokontrolliert bis zur Claudicatio intermittens (AVK) (14 Tage) Gehirn akuter zerebraler 15 µg/kg (5 Tage) 10, randomisiert, Verbesserung des NIHSS nach (e15) Infarkt verblindet 6 Monaten in der G-CSF-Gruppe Die Studien wurden anhand einer Medline-Suche identifiziert. Aus dem Bereich der Kardiologie sind nur randomisierte Studien mit mehr als 20 Patienten aufgezeigt. Aus anderen Gebieten wurden auch unrandomisierte und kleinere Studien erwähnt. G-CSF, granulocyte colony stimulating factor ; GM-CSF, granulocyte-macrophage colony stimulating factor ; LVEF, linksventrikuläre Ejektionsfraktion A 1666 Deutsches Ärzteblatt Jg. 104 Heft Juni 2007

5 TABELLE 2 Klinische Studien zur Evaluation von Knochenmarkstammzellen mittels direkter Gewebeinjektion oder intrakoronarer Infusion Erkrankung Patientenzahl, Design Zellcharakteristika Injektionsart Ergebnis Referenz Kleinere und unkontrollierte Studien mit mindestens 5 Patienten, gefunden mittels Medline-Suche mit den Stichworten stem cell clinical trial, sind zur Darstellung ausgewählt worden chronischer trans- 18, verglichen zu autologe mononukleäre intrakoronar funktionelle und metabolische (e22) muraler Infarkt repräsentativer Knochenmarkzellen Regeneration nach PTCA Kontrollgruppe (IACT study) Myokardinfarkt 35 AC133 selektierte Zellen intrakoronar koronare Komplikationen, Verbesserung der (e23) LV-Funktion chronische 26, randomisiert, circulating progenitor intrakoronar Verbesserung der makro-/mikrovaskulären (e24) Myokardischämie doppelblind, cells Funktion placebokontrolliert Myokardinfarkt 27, randomisierte Infusion intrakoronar verbesserte Pumpfunktion, Angiogenese, (e25) kontrollierte Phase-2- G-CSF mobilisierter erhöhte Restenosierungsrate Studie (MAGIC) PBMC (n = 10), Mobilisation mit G-CSF (n = 10) Myokardinfarkt 20 Patienten, autologe unfraktionierte intrakoronar verbesserte regionale und globale (e26) 13 Kontrollen Knochenmarkzellen, LV-Funktion x 10 6 Myokardinfarkt 6 Patienten AC133 selektierte Zellen, transepikardiale globale LV-Verbesserung, (e27) 1,5 x 10 6 Injektion in das verbesserte Perfusion Infarkt-Randgebiet (nach Bypassoperation) schwere 8 Patienten autologe MNC perkutane Symptomverbesserung, (e28) ischämische transendokardiale Perfusionsverbesserung Herzerkrankung Katheterapplikation ischämische 14 Patienten, autologe MNC transendokardiale verbesserte Laufbandleistung (e29) Kardiomyopathie 9 Kontrollen Injektion ischämische 27 Patienten ohne unfraktioniertes transendokardiale Applikation ohne Komplikationen möglich (e31) Kardiomyopathie weitere Therapie- autologes intramyokardiale optionen Knochenmark Injektion Myokardinfarkt 59 (TOPCARE-AMI) zirkulierende intrakoronar positive Effekte auf das LV-Remodeling (e32, e33) Progenitorzellen (CPC), autologe MNC periphere AVK 25 mit unilateraler, 22 mit bilateraler KM MNC, PB MNC als Kontrolle intramuskulär Verbesserung von Knöchel-Arm-Index (ABI) transkutaner O 2 -Gradient, Ruheschmerz (e21) Ischämie der Beine akuter 33 Zellinfusion, autologe mononukleäre intrakoronare kein Unterschied in der globalen LV-Funktion Janssen Myokardinfarkt 34 Placeboinfusion, Knochenmarkzellen nach Infusion et al. (e18) randomisiert, Ficoll-Separation, doppelblind, placebo- 3 x 108 Zellen kontrolliert Myokardinfarkt 47 Zellinfusion, autologe mononukleäre intrakoronare kein Unterschied zur Kontrollgruppe ASTAMI (STEMI) 50 keine Infusion Knochenmarkzellen nach Infusion (e17) (ASTAMI) Ficoll-Aufreinigung, 7 x 107 Zellen Myokardinfarkt 60 Patienten autologe unfraktionierte intrakoronar nach 6 Monaten: LVEF 6 % höher in KM BOOST randomisiert Knochenmarkzellen, infundierten Patienten als in Kontrollgruppe, (e30) (BOOST) 2,5 x 109 nach 18 Monaten keine signifikanten Unterschiede mehr zwischen den Gruppen Myokardinfarkt 101 Zellinfusion, MNC-Fraktion nach KM- intrakoronar LVEF-Verbesserung in der Behandlungs- REPAIR- 98 Placeboinfusion, Aspiration nach Ficoll- gruppe verglichen mit Placebo (5,5 vs. 3 %) AMI doppelblind, Aufreinigung, 2,4 x 10 8 nach 4 Monaten. Endpunkte (Tod, (e19, placebokontrolliert, Notwendigkeit einer Revaskularisierung) e54) multizenterisch nach 1 Jahr signifikant besser (REPAIR-AMI) im Vergleich zur Kontrollgruppe chronische 24 zirkulierende MNC-Fraktion nach intrakoronar größerer Anstieg der LVEF (2,9 %) in der TOPCARE linksventrikuläre Blutzellen (CPC), 28 KM-Aspiration nach Ficoll- KM-Gruppe verglichen mit der CPC CHD Dysfunktion Knochenmarkzellen, Aufreinigung, 7 x 107, oder Kontrollgruppe (e51) 23 keine Infusion, oder periphere randomisiert, Blutzellen crossover -Design (TOPCARE-CHD) G-CSF, granulocyte colony stimulating factor ; LV, linksventrikulär; PTCA, perkutane transluminale Katheter-Angioplastie; PBMC, peripheral blood mononuclear cell ; LVEF, linksventrikuläre Ejektionsfraktion; KM, Knochenmark; MNC, mononukleäre Zellen; PB, peripheres Blut; ABI, Knöchel-Arm-Index; CPC, zirkulierende Progenitorzellen Deutsches Ärzteblatt Jg. 104 Heft Juni 2007 A 1667

6 schlusskrankheit (pavk) und schwerer koronarer Herzkrankheit (KHK) untersucht (e11, e12). Während der koronare Kollateralfluss nach GM-CSF-Behandlung signifikant anstieg ( collateral flow index : + 0,11 versus 0,07 in der Kontrollgruppe), verbesserte sich bei der pavk weder Gehstrecke noch Gehzeit (e12). Intravaskuläre Applikation und direkte Injektion von KMS Auf dem Gebiet der Kardiologie gibt es die meisten klinischen Erfahrungen mit KMS. Appliziert wird intravaskulär, transepikardial sowie transendokardial, wobei in den meisten Studien die intravaskuläre Infusion im Zusammenhang mit verschiedenen Revaskularisierungsprozeduren bevorzugt wird. Pathophysiologisch entsteht nach Myokardinfarkt eine narbige Ersetzung abgestorbenen Herzmuskelgewebes, häufig im Zusammenhang mit einer chronischen Ischämie. Die therapeutische Rationale des Einsatzes von KMS ist die funktionelle Verbesserung des postinfarkzierten Herzens, die genauen Wirkungsmechanismen von Stammzellen werden derzeit noch diskutiert (e16). Kleinere Studien (Tabelle 2) zeigten die Machbarkeit, Sicherheit und potenzielle Effektivität dieser Therapie. Basierend auf diesen Ergebnissen führte man große randomisierte Studien durch, von denen derzeit 5 vollständig veröffentlicht sind (Tabelle 2). Die doppelblinde randomisierte Multicenterstudie REPAIR-AMI ergab 4 Monate nach Zellinjektion einen moderaten Anstieg der LVEF in der Verumgruppe (5,5 versus 3 % in der Kontrollgruppe, P = 0,01) (e19). Patienten mit niedriger LVEF profitierten am meisten von einer Zelltherapie. Die Endpunkte waren auch nach 1 Jahr noch signifikant unterschiedlich (e54). Die TOPCARE-CHD-Studie zeigte eine Verbesserung der LVEF um 2,9 % in der Knochenmarkgruppe verglichen mit der Gruppe, die Injektionen peripherer Blutzellen erhielt, und dem Kontrollkollektiv TABELLE 3 Klinische Studien zur Infusion von mesenchymalen Stammzellen bei unterschiedlichen Krankheitsbildern Indikation Patienten Zellzahl, Ergebnis Referenz Applikationsweg akute Graft-versus-Host- 1 2 x 10 6 /kg allogen Vollremission der GvHD nach MSC-Infusion (e40) Erkrankung (Grad IV) (third party), intravenös GvHD 14 median 1 x 10 6 /kg 6 Vollremissionen, 4 Verbesserungen (e39) (range 0,4 9), intravenös Osteogenesis imperfecta (OI) 3 Patienten mit allogen passender Verbesserung der Frakturrate und (e45) schwerer OI Spender, intravenös Wachstumsrate hämatologische Erkrankungen 15 1, 10 und 50 x 10 6 total, keine Nebenwirkungen (e46) in Remission autologe Transplantation, intravenös Mammakarzinom ,2 x 10 6 autologe keine Toxizität (e47) expandierte MSC, intravenös Osteogenesis imperfecta 6 1 x 10 6 und 5 x 10 6 /kg keine Toxizität, dauerhaftes Anwachsen (e44) (erste/zweite Dosis), bei 5 von 6 Patienten, Akzeleration des intravenös Längenwachstums, niedrigere Frakturrate verglichen zu unbehandelten Patienten hämatologische Erkrankungen x 10 6 /kg, intravenös keine Toxizität (e42) metachromatische Hurler n = x 10 6 /kg, HLA- keine Toxizität, niedrige Anwachsrate, (e48) Leukodystrophie (MLD) und MLD n = 6 identischer Spender, keine offensichtliche messbare klinische Hurler-Syndrom intravenös Verbesserung akuter Herzinfarkt 34, 35 Kontrollen 8 x 10 9 Zellen/mL LVEF-Anstieg in MSC-Gruppe, (e41) intrakoronar, autologe MSC Perfusionsdefekt signifikant verbessert schwere ischämische 22, 23 in autologe MSC LVEF-Anstieg in MSC-Gruppe (e50) Kardiomyopathie Kontrollgruppe amyotrophe Lateralsklerose 7 autologe MSC, intraspinal keine signifikanten Nebenwirkungen (e51) (ALS) akuter Herzinfarkt 11 autologe MSC, intrakoronar verbesserte Kontraktilität (e52) Paraplegie 2 autologe MSC, differenziert keine Toxizität (e53) in neutrale Stammzellen in Kultur Schlaganfall 5 Patienten, autologe MSC, 1 x 10 8 keine Toxizität (e59) 25 Kontrollen Zellen intravenös Dargestellt sind alle klinischen Studien, die mit dem Suchbegriff mesenchymal stem cells in Medline unter der Rubrik human angezeigt wurden. MSC, mesenchymale Stammzelle; GvHD, Graft-versus-Host-Erkrankung; LVEF, linksventrikuläre Ejektionsfraktion A 1668 Deutsches Ärzteblatt Jg. 104 Heft Juni 2007

7 (e51). Auch Patienten mit chronischer ischämischer Kardiomyopathie profitieren, und dieser Effekt war spezifisch für Knochenmarkzellen. Im Gegensatz dazu verbesserte sich in der ASTA- MI-Studie nicht die Ejektionsfraktion der KMS-infundierten Patienten im Vergleich zur Kontrollgruppe (e17). Dies war auch in der Studie von Janssen nicht der Fall, in der sich jedoch die Infarktgröße in der Behandlungsgruppe verminderte (e18). Ob diese Resultate auch für den Langzeitverlauf gelten, muss erst noch demonstriert werden. Die BOOST-Studie konnte zwar im unmittelbaren Verlauf nach 6 Monaten eine statistisch signifikante Verbesserung der ventrikulären Funktion nach KMS-Gabe zeigen (6,7 versus 0,7 % in der Kontrollgruppe), nach 18 Monaten war diese Funktionsverbesserung jedoch nicht mehr signifikant (e20). Letztendlich müssen Studien in der Zukunft jedoch zusätzlich zu funktionellen Parametern wie LVEF auch als Endpunkt eine klinische Verbesserung für die Patienten nachweisen, um einen Nutzen dieser Behandlungsform zu zeigen (e53). Injektion von autologen KMS bei peripherer Ischämie der Beine führte in einer Studie zu einer Verbesserung des Knöchel-Arm-Indexes als auch des transkutanen Sauerstoffgradienten und des klinischen Ruheschmerzes (e21). Klinische Anwendung von mesenchymalen Stammzellen Die Entdeckung von mesenchymalen Stammzellen (MSC) durch Friedenstein (11) und deren weitere Charakterisierung durch Caplan (e34) und Prockop (1) brachten die klinische Anwendung schnell auf den Weg. Der ursprüngliche Fokus lag aufgrund der Differenzierungsfähigkeit in Knochen- und Knorpelzellen im orthopädischen und gentherapeutischen Bereich (e34 e38). Die unproblematische Gewinnung von MSC aus Knochenmarkaspiraten sowie die leichte Expandierbarkeit und Transduzierbarkeit in vitro lassen eine große Zahl von klinischen Anwendungen möglich erscheinen. Die weitere Charakterisierung von MSC erbrachte dann zusätzliche Eigenschaften, die den möglichen therapeutischen Einsatz erweitern, unter anderem besteht eine immunsuppressive Funktion sowie eine Differenzierung in andere Zelltypen, unter anderem in Hepatozyten, Myokardiozyten, neuronale Zelltypen und vaskuläre Zellen. Durch das günstige MHC-Expressionsprofil und die daraus resultierende geringe Immunreaktivität ist eine Anwendung von allogenen mesenchymalen Stammzellen möglich, was die Gewinnung und die zeitlichen Umstände durch Wegfall einer autologen Kulturperiode wesentlich verbessert und ökonomischer macht. Klinische Anwendungen konzentrieren sich derzeit auf die Verhinderung und Therapie einer Graft-versushost-Reaktion nach allogener Knochenmarktransplantation sowie die Therapie des Myokardinfarktes (Tabelle 3). Eine Kasuistik im Lancet zeigte eine komplette Remission einer GvHD Grad IV nach allogener MSC- Gabe; dies wurde in einer Serie von Patienten bestätigt (e39, e40). 2 noch laufende Studien untersuchen die Therapie des Myokardinfarktes mit MSC: eine Phase- 1/2-Studie evaluiert die therapeutische Perspektive von autologen MSC bei Patienten mit schwerer chronischer Myokardischämie ( eine Phase-1-Studie untersucht die Sicherheit und Effektivität eines allogenen Stammzellproduktes in der Behandlung des akuten Myokardinfarktes. Eine chinesische Studie zeigte eine Verbesserung der Herzfunktion nach intrakoronarer autologer Transplantation von MSC (LVEF 67 % in Therapiegruppe versus 53 % in Kontrollgruppe) (e41). Weitere klinische Erprobungen umfassen immunologische Erkrankungen wie Morbus Crohn, die Verbesserung des Anwachsens hämatologischer Stammzellen nach allogener KMT (e42) sowie die Behandlung genetischer Erkrankungen (Hurler- Syndrom, metachromatische Leukodystrophie, Osteogenesis imperfecta). Die Rationale bei der Behandlung genetischer Erkrankungen besteht in der Applikation des gesunden Gens mittels dauerhaft anwachsender allogener mesenchymalen Stammzellen und deren Produktion von gesunden Kollagenketten bei der Osteogenesis imperfecta oder von gesunden Enzymen beim Hurler- Syndrom und der metachromatischen Leukodystrophie. Kinder mit Osteogenesis imperfecta profitieren von einer Kombination aus hämatopoetischer Stammzelltransplantation und mesenchymalen Stammzellen (e43 e45). Wirkungsmechanismen Es gibt viele mögliche Mechanismen der Organregeneration von KMS, die beim Menschen nur schwer und indirekt evaluiert werden können. Aus Tierexperimenten weiß man, dass eine Differenzierung in lokale Parenchymzellen nur einen sehr geringen Teil des regenerierten Organs ausmacht, in den meisten Fällen weniger als 1 % der Zellen. Diese initial als Transdifferenzierung bezeichnete Beobachtung wurde als für die Organregeneration hauptverantwortlich angesehen. Die dauerhafte Retention der Zellen im geschädigten Organ nach Applikation ist häufig sehr gering, zum Beispiel im Herzen sind es nur 1,3 bis 2,6 % der applizierten Zellen (e52). Aus diesen Gründen werden derzeit alternative Mechanismen favorisiert: parakrine Sezernierung von Wachstumsfaktoren, Immunmodulation, Verringerung der Apoptoserate und beschleunigte Regeneration überlebender Zellen, Angiogenese und Verminderung der pathologischen Fibrosierung sowie die Stimulation organspezifischer Stammzellen (e60). Schlussfolgerung Therapeutische Ansätze zur Organregeneration sind ein neuartiges und vielversprechendes Behandlungsprinzip in der Medizin. Die derzeit fortgeschrittensten Ansätze sind zelltherapeutische Strategien mit Stammzellen aus dem Knochenmark. Klinische Studien demonstrierten die prinzipielle Wirksamkeit dieser Ansätze, dennoch ist derzeit noch unklar, welche Stra- Deutsches Ärzteblatt Jg. 104 Heft Juni 2007 A 1669

8 tegie und Zellpopulation für einzelne Erkrankungen am besten geeignet ist. Man ist auf diesem Gebiet nach positiven Ergebnissen sowie einigen negativen Studien erst am Anfang eines langen Weges, und wichtige Fragen müssen noch beantwortet werden: Welche Erkrankung ist am besten behandelbar? Welches ist der günstigste Behandlungszeitpunkt? Welche Zellen oder Zellfraktionen sind geeignet? Was ist die beste Methode der Applikation und wie häufig sollen Zellen appliziert werden? Welche Mechanismen sind verantwortlich für eine Geweberegeneration? Gibt es Langzeitnebenwirkungen? In der Zukunft sind weitere sorgfältig geplante klinische Multicenterstudien nötig, um den Stellenwert der KMS in der regenerativen Medizin zu definieren. Interessenkonflikt Prof. Zander hat von Gambro/Nephrogen Forschungsgelder erhalten. Die anderen Autoren erklären, dass kein Interessenkonflikt im Sinne der Richtlinien des International Committee of Medical Journal Editors besteht. 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Nephrology Research Lab (151M) VA Medical Center Salt Lake City 500 Foothill Boulevard Salt Lake City, UT 84148, USA Mit e gekennzeichnete Literatur: The English version of this article is available online: A 1670 Deutsches Ärzteblatt Jg. 104 Heft Juni 2007

9 ÜBERSICHTSARBEIT Regenerative Medizin mit adulten Stammzellen aus dem Knochenmark Florian Tögel, Claudia Lange, Axel R. Zander, Christof Westenfelder LITERATUR INTERNET e1. Harada M, Qin Y, Takano H, et al.: G-CSF prevents cardiac remodeling after myocardial infarction by activating the Jak-Stat pathway in cardiomyocytes. Nat Med 2005; 11: e.2. Takano H, Qin Y, Hasegawa H, et al.: Effects of G-CSF on left ventricular remodeling and heart failure after acute myocardial infarction. J Mol Med 2006; 84: e3. Schneider A, Kruger C, Steigleder T, et al.: The hematopoietic factor G-CSF is a neuronal ligand that counteracts programmed cell death and drives neurogenesis. J Clin Invest 2005; 115: e4. Joseph J, Rimawi A, Mehta P, et al.: Safety and effectiveness of granulocyte-colony stimulating factor in mobilizing stem cells and improving cytokine profile in advanced chronic heart failure. Am J Cardiol 2006; 97: e5. 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