Zelluläre Differenzierung ist hierarchisch

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1 Monika Engelhardt Barbara Deschler Claudia I. Müller Michael Lübbert Plastizität adulter Stammzellen: Wunschtraum oder Realität? Zusammenfassung Als Stammzellen werden ausschließlich Zellen mit der Fähigkeit zur unbeschränkten Selbsterneuerung (mit und ohne vorangegangenem Gewebeschaden) und zur Differenzierung bezeichnet. Bis vor kurzem war das allgemeine Verständnis bezüglich adulter Stammzellen, dass diese innerhalb nur einer einzigen Zellreihe ausreifen können wurden adulten Stammzellen jedoch erstmals weitere Fähigkeiten zugeschrieben, nämlich die Differenzierung von Knochenmark- zu Blut-, Muskel-, Leber- und Hautzellen. Diese Potenz zur Ausreifung in verschiedene Zelltypen (des Mesoderms, Endoderms und Ektoderms) wird als Stammzellplastizität bezeichnet. Sie impliziert, dass Kranke künftig auf gesundes Ersatzgewebe aus Stammzellkulturen hoffen und adulte Stammzellen potenziell eine breite klinische Anwendbarkeit bei unterschiedlichen Krankheitsbildern finden könnten. Im Folgenden werden Ergebnisse zur Stammzellplastizität, international geführte Kontroversen und Fragen und Perspektiven von adulten Stammzellen aufgezeigt. Schlüsselwörter: adulte Stammzelle, Stammzelltherapie, Plastizität, hämatopoetische Stammzelle, Telomerase Summary Plasticity of Adult Stem Cells: Wish or Reality? Stem cells have defined characteristics, such as the ability for self-renewal (with and without tissue damage) and cell differentiation. Until recently, the fate of adult stem cells has been thought to be restricted to their tissue of origin. However, these cells have recently been shown to replenish damaged tissue, such as blood, muscle, liver, skin and others. The finding that adult stem cells can be reprogrammed to differentiate into various cell types, representing all three lineages (mesoderm, endoderm and ectoderm) was unexpected. This degree of socalled cell plasticity demonstrated that the differentiated state of adult stem cells is reversible and that these may possess characteristics formerly known to be linked to embryonic stem cells. Bone marrow cells were shown to yield not only blood cells, but also cells with a liver phenotype, and cells with homing and repair capacity in damaged muscle. Muscle- and central nervous system-derived stem cell populations have also been reported to reconstitute all blood cells and rescue lethally irradiated mice. In this article, early and current aspects of stem cell plasticity including controversities and perspectives in adult stem cell research are discussed. Key words: adult stem cell, stem cell therapy, plasticity, hematopoetic stem cell, telomerase Zelluläre Differenzierung ist hierarchisch durch unterschiedliche Arten von Stammzellen reguliert. In der Tabelle 1 sind die Unterschiede zwischen toti-, pluri- und multipotenten Stammzellen zusammengefasst. Hämatopoetische Stammzellen können sich zu Zellen des peripheren Blutes und Immunsystems differenzieren, neuronale Stammzellen zu Neuronen, Astrozyten und Oligodendrozyten und mesenchymale Stammzellen zu Fibroblasten, Osteoblasten, Chondroblasten, Adipozyten und Myozyten (2, 20, 22, 25, 28 34, 41). Hämatopoetische Stammzellen sind von diesen am besten untersucht und sollen im Folgenden als Beispiel für adulte Stammzellen dienen. Diese wurden von Maximow schon 1909 postuliert (35). Mc- Culloch et al. entdeckten adulte hämatopoetische Stammzellen 1963 im Mausmodell: Die Transplantation von murinem Knochenmark führte dabei zur vollständigen Rekonstitution des gesamten Blutsystems bei Mäusen, die mit einer normalerweise letalen Dosis bestrahlt wurden (36). Im menschlichen Organismus werden im Knochenmark aus hämatopoetischen Stammzellen pro Tag etwa (entspricht etwa 1 kg) hämatopoetische Zellen gebildet. Hämatopoetische Stammzellen sind dabei in einer Frequenz von etwa 0,01 Prozent im Knochenmark nachweisbar. Dieses Stammzellkompartiment besteht aus hierarchisch aufgebauten Zellpopulationen: Aus multipotenten Blutstammzellen entstehen reifere Vorläuferzellen, die zu funktionsfähigen Endzellen (Erythrozyten, Granulozyten und Thrombozyten) ausreifen (2, 17). Klinisch werden Blutstammzellen für autologe und allogene Transplantation bei malignen hämatologischen Erkrankungen, einigen soliden Tumoren und definierten nichtmalignen Erkrankungen (zum Beispiel schweren Autoimmunerkrankungen) seit vielen Jahren erfolgreich verwendet. Nach Hochdosischemotherapien ermöglichen diese Stammzellen die schnelle und zuverlässige hämatopoetische Regeneration (13, 14). Abteilung Hämatologie/Onkologie (Direktor: Prof. Dr. med. Roland Mertelsmann), Medizinische Universitätsklinik Freiburg Wandlungsfähigkeit adulter Stammzellen Das traditionelle Verständnis von Stammzellen war, dass wie in der Hämatopoese gewebespezifische Stammzellen, zum Beispiel der Leber oder des Muskels existieren, die nicht in der Lage sind, in andere Gewebetypen auszureifen. Völlig überraschend waren deshalb Ergebnisse seit 1998, welche zeigten, dass sich aus adulten Stammzellen des Knochenmarks auch andere Zelltypen differenzieren können. Darüber hinaus wurde im Tiermodell nachgewiesen, dass aus Neuronen oder Muskelzellen Blutzellen entstehen können, und dass Hautzellen zu Nervenzellen transdifferenzieren können (Tabelle 2, Grafik 1) (1 8, 18, 20, 24 32, 37 45, 50). Ebenso ergaben Studien bei geschlechtsdifferent transplantierten Patienten Hinweise auf die Differenzierung hämatopoetischer Zellen in Hepatozyten, Hautzellen und epitheliale Zellen des Gastrointestinaltraktes (1, 23, 29, 30, 32, 39, 52). Diese Stammzellplastizität, dass heißt die Fähigkeit adulter Stammzellen zur Ausreifung in verschiedene A 3236 Deutsches Ärzteblatt Jg. 100 Heft Dezember 2003

2 Tabelle 1 Totipotenz, Pluripotenz und Multipotenz von Stammzellen Gewebe, eröffnete neue Perspektiven, was deren Einsatz für Zelltherapien bei vielfältigen Indikationen anbelangt und ließ die Erwartung aufkommen: there is still much to be done, nevertheless these are exciting times, and novel studies and results provide food for thought.the table has been set, and dinner is almost ready (I. Lemischka, 34). Stammzellplastizität, Zellkontamination oder Zellfusion? Zelle Vorkommen Eigenschaft Totipotenz Embryonen (Zygote) Zygote (Blastomere) Differenzierung in jede bis 8-Zell-Stadium Körperzelle möglich (Bildung eines kompletten, selbstständig lebensfähigen Organismus) Pluripotenz Embryonale Blastozyste Differenzierung in zahl- Stammzelle (ES) embryonale Gonaden reiche Zelltypen Embryonale Teratokarzinom (Fähigkeit, jedes Gewebe Keimzellen (EG) inklusive der Keimbahn zu Embryonale bilden, aber keine kom- Karzinomzellen (EC) plette Organismusentstehung möglich) Multipotenz Gewebespezifische Hämatopoetische SZ Fähigkeit, eine begrenzte Stammzelle Muskel-SZ Zahl anderer Gewebe zu Leber-SZ bilden (Transdifferen- Neuronale SZ zierung in jeweils andere Gewebetypen?) SZ, Stammzelle Aus dem breiten Spektrum an in den letzten Jahren erarbeiteten Ergebnissen sollen exemplarisch einige Befunde als Belege für Stammzellplastizität beschrieben und diskutiert werden. Erste Studien beschrieben die Transdifferenzierung von Knochenmark in Muskel- oder Leberzellen, wie auch die hämatopoetische Rekonstitution in bestrahlten Mäusen nach Transplantation mit neuronalen Stammzellen (Tabelle 2, Grafik 1). Ferrari et al. verwendeten in Transplantationsexperimenten Knochenmark von Mäusen, die ein Indikatorgen unter der Kontrolle eines muskelspezifischen Promoters trugen. Dieses wurde somit nur exprimiert, wenn sich Donorzellen zu Myozyten differenzierten. Tatsächlich kam es in diesen Versuchen zur Transdifferenzierung in Myozyten, allerdings nur nach nekrotisierender Muskelverletzung und mit einer Frequenz von nur 0,1 bis 0,01 Prozent (18) (Tabelle 2). Nach Injektion in zuvor bestrahlte Mäuse ließ sich in initialen Arbeiten mit murinen neuronalen Stammzellen die Produktion von Blutzellen zeigen (5). In der Folgestudie wurde nach Injektion muriner adulter neuronaler Stammzellen in Hühner- und Mausembryonen die seltene Inkorporation in alle drei Keimblätter, nicht aber in Blutzellen beobachtet (8). Bei Verwendung einzelner neuronaler Stammzellen war ebenfalls keine Blutzellproduktion zu erreichen (9, 38). Somit schien Plastizität von neuronalen Stammzellen prinzipiell möglich, allerdings nur in niedriger Frequenz, insbesondere bei Verwendung von Einzelzellen. Eine vermehrte Transdifferenzierung nach Gewebeschäden ließ zudem vermuten, dass ein Engraftment wie bei Patienten mit myeloablativer Chemotherapie und Blutstammzelltransplantation nur nach entsprechender Konditionierung möglich ist. Die Transplantation von 50 hoch aufgereinigten (positiv für die Marker c-kit + und Thy lo Grafik 1 Lin - Sca + ) männlichen murinen Knochenmarkzellen in bestrahlte weibliche Mäuse mit genetisch bedingtem Leberschaden (Fumarylacetat-hydrolase-defiziente Mäuse, ein Modell für die in kürzester Zeit letal verlaufende hereditäre Tyrosinämie) führte zur Bildung funktionstüchtiger Hepatozyten und zur Korrektur des Leberdefektes. Sieben Monate nach der Transplantation zeigte sich, dass bis zu 50 Prozent der Leber von Donorzellen abstammten. Dieses Experiment von Lagasse schien somit die Stammzellplastizität von Knochenmark durch ihre Transdifferenzierung in Leberzellen zu beweisen und untermauerte die Funktionalität der transdifferenzierten Zellen durch deren Fähigkeit zur Ausheilung des Leberdefektes (33). Wagers et al. transplantierten eine hämatopoetische Einzelzelle aus dem Knochenmark (c-kit + und Thy lo Lin - Sca + ). Bei der Auswertung konnten jedoch nur sieben markierte Leberzellen und eine Nervenzelle in > 10 6 analysierten Zellen nachgewiesen werden. Bei diesen fiel ein doppelter Chromoso- Nach traditionellem Verständnis können adulte Stammzellen nicht in andere Gewebetypen ausreifen. Überraschend waren Ergebnisse seit 1998, die zeigten, dass aus Knochenmarkstammzellen auch andere Zellen zu Blutzellen differenzieren können. Darüber hinaus wurde im Tiermodell gezeigt, dass aus Neuronen oder Muskelzellen Blutzellen und aus Hautzellen Nervenzellen entstehen und sich nach der Transplantation beim Menschen aus hämatopoetischen Zellen Hepatozyten, Hautzellen und epitheliale Zellen des Gastrointestinaltraktes entwickeln können. Plastizität adulter Stammzellen Deutsches Ärzteblatt Jg. 100 Heft Dezember 2003 A 3237

3 mensatz als Hinweis für die bereits erwähnte Zellfusion auf (54). Krause et al. transplantierten Knochenmarkeinzelzellen (definiert in Verdünnungsexperimenten) in Mäuse und fanden eine Transdifferenzierung in epitheliale Zellen (Chimärismus in Lunge, Haut, Darm und Leber) mit deutlich höherer Frequenz (31). In ihrer Stellungnahme wiesen sie allerdings daraufhin (52), dass bedeutende Unterschiede zwischen den Untersuchungen (31, 54) bestanden, wie die Verwendung jüngerer Mäuse, einer anderen Separationsmethode für die eingesetzte Stammzellpopulation und der unterschiedliche Nachweis von Spenderzellen (Y-Chromosom versus green fluorescent protein). Die Möglichkeit der Zellfusion wird jedoch zunehmend diskutiert. Dieses Phänomen ist seit Jahrzehnten bekannt, wurde kürzlich auch zwischen adulten neuronalen Stammzellen beziehungsweise Knochenmarkzellen mit embryonalen Stammzellen beschrieben und führt experimentell zu Heterokaryonen (49, 56). Diese sind in der Lage, sich weiter zu teilen und zuvor stumme Gene zur Expression zu induzieren. Wenn daher der beobachtete epitheliale Chimärismus nach Stammzelltransplantation durch Zellfusion verursacht worden wäre, könnten das Genexpressionsmuster der fusionierten Zellen sowie deren Proliferationsfähigkeit hier Tabelle 2 Ausgewählte Publikationen zur Plastizität adulter Stammzellen Eingesetzte Eingesetzte Zellen Empfänger Transdifferenziertes Referenz Donorpopulation Besonderheiten Zielgewebe Unsepariertes KM MNC SCID/bg M Skelettmuskel m 18 MNC mdx-m Herzmuskel m 4 MNC Ratten Leber r 42 MNC PU.1 / M Nervenzellen m 37 MNC Tx bestr. M Mikroglia/Astrozyten m 6 MNC Tx (KMT) Leber h 1 MNC Tx (KMT) Epithel (GI-Trakt) h 39 MNC Tx (KMT) Hepatozyten, Haut, GI h 30 MNC Tx (KMT) Endothel h 23 MNC Tx (KMT + Leber-Tx) Leber (Hepatozyten) h 50 Leber-Tx Hepatoz., Cholangioz. h 29 Nieren-Tx Endothel h 32 Separiertes KM SP Tx in mdx-m Skelettmuskel m 24 SP CD34 Sca + Kit + Tx in bestr., infarz M Kardiom./Endothel m 26 KTLS Bestr, Infarz M Herzmuskel m 40 KTLS FAH / bestr. M Leber m 33 KTLS Tx in bestr. M Leber, Purkinje m 54 Lin-CD34 hi,kit + Tx in bestr. M, serielle Tx Epithel v. L, L, GI, H + NZ m 31 kult. CD34 + Hunde-Tx-Modell Endothel c 44 CD34 + Lin Tx in bestr. M Hepatozyten m 51 MAPC Blastozysten, NOD/SCID Mes, End, Ekt m, r, h 28 MAPC MAPC-Kultur Hepatozyten m, r, h 43 Muskel Satellitenzellen Tx in bestr. M, serielle Tx KM m 27 Nervengewebe Neuronale SZ Tx in bestr. M Myeloid/lymph. Zellen m 5 Tx in bestr. M Skelettmuskel m 20 Tx in H+M Embryonen Embryonales Gewebe 8 (Mes, End, Ekt) H, m Bestr., bestrahlt; h, humane Zellen; m, murine Zellen; r, Rattenzellen; c, Hundezellen; H, Hühnerzellen; Infarz, infarziertes Myokard; Kardiom., Kardiomyozyten; KM, Knochenmark; KTLS, c-kit + Thy1.1. low Lin Sca1 + ;L,L,Gi, H + NZ, Epithel von Lunge, Leber, Gastrointestinum, Haut und Nervenzellen; M, Maus; MAPC, multipotente adulte Progenitorzellen; MDX M, mdx Maus:Tiermodell für Duchenne Muskeldystrophie; Mes, End, Ekt, Mesoderm, Entoderm, Ektoderm; MNC, mononukleäre Zellen; MSC, mesenchymale Stammzellen; MAPC, multipotente adulte Progenitorzellen; PU.1 / M, Knockout-Mäuse ohne Makrophagen, Neutrophile, Mastzellen, Osteoklasten und B- bzw.t-zellen; SCID, severe combined immunodeficiency Maus; NOD/SCID, non-obese diabetic mice with severe combined immunodeficiency disease; SP, side population Zellen = primitive Stammzellen, durch Hoechst markiert und sortiert; SZ, Stammzellen;Tx in H+M Embryonen = Transplantation in Hühner- und Mäuseembryonen A 3238 Deutsches Ärzteblatt Jg. 100 Heft Dezember 2003

4 Grafik 2 a Zum Nachweis eines epithelialen Chimärismus wurden Kolonbiopsien von Patientinnen nach allogener PBSZT untersucht, die von einem männlichen Spender transplantiert wurden. Zum Nachweis von epithelialen Spenderzellen (Y-Chromosom) wurden Dreifachfärbungen an Kryostatschnitten der Kolonbiopsien durchgeführt. Dabei wurde der Y-Chromsom-FISH-Nachweis mit einer Fluoreszenzfärbung für den Epithelspezifischen Marker Zytokeratin (CK) und mit einer Kernfluoreszenzfärbung mit TOTO-3 (Y/CK/TOTO-Färbung) kombiniert. Dabei zeigen sich nach a) 16 und b) 420 Tagen Zellen in den Kolonkrypten, die die drei erwähnten Merkmale aufwiesen (Pfeil). CK = grün; FISH Y = rot; TOTO = blau; mit freundlicher Genehmigung von Dr. A. Spyridonidis (47) Abbildung 1: Hämatopoetische Stammzellen nach humaner allogener peripherer Blutstammzelltransplantation (PBSZT) in Kolonkrypte b Primitive hämatopoetische Stammzellen lassen sich auch als Hoechst low - oder side population - (SP-)Zellen (Pfeil) durch Zellsortierung gewinnen und sind durch negative Expression von Differenzierungsmarkern (wie CD34) charakterisiert (22). Hinweise liefern. Wenn es sich bei den von Knochenmarkzellen abstammenden Hepatozyten in Mäusen mit Leberdefekt um fusionierte Zellen handelte, würden diese in vivo zu einer dominanten Zellpopulation expandieren, die den Gendefekt beheben könnten. Dass dieses Phänomen bei Transdifferenzierungsexperimenten tatsächlich auftreten kann, ist kürzlich im Mausmodell nach serieller Transplantation gezeigt worden. Die aus Knochenmark entstandenen Hepatozyten waren heterozygot für die Donorallele, und sowohl diploide als auch tetraploide Karyotypen wurden nachgewiesen (57). Obwohl somit die aus Knochenmark generierten Hepatozyten weniger durch Differenzierung als durch Zellfusion entstanden sind, könnte diesen trotz der Seltenheit ihres Vorkommens zukünftig therapeutische Bedeutung bei der Behandlung genetischer Erkrankungen zukommen (57). Experimente der Arbeitsgruppe von C. Verfaillie zeigten nach Kultur so genannter multipotenter adulter Progenitorzellen (MAPC), dass diese in Knochen-, Knorpel- und Fettzellen differenzieren können, Endothelzellen produzieren oder die Funktion von Leberzellen erwerben. Die retrovirale Markierung ergab dabei, dass Einzelzellpräparationen von MAPC verschiedener Spezies in vitro in endotheliale oder neuronale Zellen sowie funktionelle Hepatozyten ausdifferenzieren können. Die Transplantation von murinen MAPC in Mäuse führte zum epithelialen Chimärismus in Lunge und Darm (28, 43). Analysen am Menschen, meist mit Nachweis des Y-Chromosoms nach geschlechtsdifferenter Transplantation, wiesen darauf hin, dass die Transdifferenzierung hämatopoetischer Zellen in b c a CD34-Zellen nach positiver Selektion a) Tag 0 ohne Ex-vivo-Kultur und nach b) 7 und c) 10 Tagen nach Ex-vivo-Kultur (serumfreies Medium plus Zytokinstimulation mit Stammzellfaktor, Flt-Ligand, Thrombopoetin, Interleukin-3 und Interleukin-6). Während nach CD34-Selektion hämatopoetische Stammzellen unreife Zellen mit großem Kern und wenig Zytoplasma ( ) darstellen, sind diese unter Kulturbedingungen zu enddifferenzierten monomakrozytären Zellen ( ) und Schaumzellen (!) ausgereift (14,15). Abbildung 2: Hämatopoetische Stammzellen nach CD34-Selektion und c) als so genannte side population - (SP-)Zellen A 3240 Deutsches Ärzteblatt Jg. 100 Heft Dezember 2003

5 Hepatozyten, Cholangiozyten, Hautzellen und epitheliale Zellen des Gastrointestinaltraktes möglich ist (1, 30, 39, 47, 51) (Abbildung 1a und b). Dieses konnte nach Knochenmark-, Leber- oder Nierentransplantation beobachtet werden (23, 29, 32). Insgesamt werden diese Studien jedoch skeptisch beurteilt, da zum Beispiel Lymphozyten, die in epitheliales Gewebe immigrieren können, als vom Spender abstammende Epithelzellen fehlinterpretiert werden können. Dieses gilt insbesondere, wenn die Expression hämatopoetischer Marker nicht untersucht und keine dreidimensionale Darstellung des Gewebes erfolgt (47). Als phänotypische Marker zur Charakterisierung und Isolierung hämatopoetischer Stammzellen wird unter anderem das CD34-Antigen (Abbildung 2), aber auch andere (AC133, Rhodamin, Hoechst 33342) (Grafik 2) und das so genannte stage-specific embryonic antigen (19, 21 27, 34, 41) verwendet. Ein weiteres konzeptionelles Problem der Analyse weiblicher Patienten (Nachweis des Y-Chromosoms als Spendermarkierung) liegt darin, dass bei Frauen nach der Geburt eines Sohnes oder nach der Transfusion von Zellen eines männlichen Spenders ein Y-Chromosom noch bis zu 25 Jahre später nachgewiesen werden kann (3). Die am Menschen bis dato publizierten Studien (1, 23, 29, 30, 32, 39, 51) lassen aufgrund dieser methodischen Einschränkungen noch keine eindeutige Schlussfolgerung bezüglich der Transdifferenzierung adulter Zellen beziehungsweise der Entstehung eines epithelialen Chimärismus nach Transplantation zu. Theorie und Klinik bei ES-Zellen Tabelle 3 Übersicht humaner pluripotenter Stammzellen (modifiziert nach 11) Embryonale Stammzellen Embryonale primordiale Embryonale Keimzellen Karzinomzellen Herkunft Blastozyste (Herstellung Primordiale Keimzellen Teratokarzinom aus innerer Zellmasse (embryonale Gonaden) (testikuläre Tumoren) disaggregierter Blastozysten) Karyotyp euploid euploid heteroploid Telomerase-Expression In-Vitro-Differenzierung Chimäre Formationen Soma und Keimbahn Soma und Keimbahn Soma MHC-Klasse-1-Expression gering gering zunehmend Teratogenität vorhanden vorhanden vorhanden Ethische Bedenken Embryonenverbrauch Feten nach Abort Karzinomzellen Lange vor der Entdeckung der Plastizität adulter Stammzellen wurde mit embryonalen Stammzellen geforscht. Aus totipotenten Zellen des frühen Embryos gehen pluripotente embryonale Stammzellen (ES-Zellen) hervor. Sie sind in Präimplantationsembryonen im Stadium der Blastozyste in der inneren Zellmasse zu finden und haben einen undifferenzierten Phänotyp. Zur Herstellung von Zelllinien werden ES aus frischen oder eingefrorenen Embryonen nach In-vitro-Fertilisation gewonnen. In vivo sind sie in der Lage, unbegrenzt zu proliferieren und selbst unter Ex-vivo-Bedingungen Gewebe aller drei Keimblätter zu ersetzen. Nur zwei weitere Zellarten scheinen die gleichen pluripotenten Fähigkeiten zu besitzen: die embryonalen Keimzellen (EG-Zellen), die von primordialen Keimzellen in den Gonaden des Postimplantationsembryos abstammen und deren malignes Pendant als embryonale Karzinombeziehungsweise Teratokarzinomzellen (EC-Zellen). Letztere manifestieren sich meist im jungen Erwachsenenalter als testikuläre Tumoren (Tabelle 3). Wenn ES-, EC- oder EG-Zellen auf Mausblastozysten transferiert werden, tragen sie substanziell zur Zelldifferenzierung des Fetus bei und können sich unter anderem in neuronale Zellen, hämatopoetische Stammzellen und Kardiomyozyten differenzieren (11, 53). ES- und EG-Zellen können selbst die Keimbahnen kolonisieren (48). ES-, EC- und EG-Zellen zeigen in vitro ein unlimitiertes Wachstum. Dieses ist durch die hohe Expression von Telomerase miterklärt, einem ribonukleären Protein, das chromosomale Endstücke, so genannte Telomere verlängert und charakteristisch für Zellen mit hoher replikativer Potenz ist. Diploide somatische humane Zellen zeigen keine Expression von Telomerase, ihre Telomerlänge nimmt mit zunehmendem Alter ab, und nach Erreichen eines definierten Zellalters wird Apoptose (programmierter Zelltod) induziert. Anders ist dieses bei Tumorzellen, aber auch bei embryonalem Gewebe, Keimbahn- und Stammzellen, bei denen Telomeraseaktivität vorhanden ist, sodass die Zellalterung nicht oder deutlich später als bei somatischen Zellen auftritt (10, 15, 16). Eine problematische Beobachtung nach Transplantation von ES in immunkompromittierte Mäuse ist die Entwicklung von Teratomen und Teratokarzinomen, die differenzierte Zellen aller drei Keimblätter zeigen. Dieses Ergebnis ist zwar konsistent mit der Deutsches Ärzteblatt Jg. 100 Heft Dezember 2003 A 3241

6 Pluripotenz dieser Zellen, erschwert aber, ganz abgesehen von den ethischen Fragen bezüglich ihrer Anwendung, deren klinischen Einsatz. Zudem exprimieren embryonale Stammzellen MHC- Klasse-1-Moleküle und können hiermit charakterisiert werden. Bei der Analyse der MHC-Moleküle wurden in drei ES-Zelllinien bei undifferenzierten ES- Zellen embryoid bodies nachgewiesen, die bei der Differenzierung von ES- Zellen entstehen. Darüber hinaus entstanden Teratome. Mit fortschreitender Differenzierung der Zellen wurde eine zunehmende MHC-Klasse-1-Expression festgestellt (12). Beim klinischen Einsatz von ES-Zellen könnte das Immunsystem des Patienten das transplantierte Gewebe deshalb abstoßen. Zur Umgehung der Transplantatabstoßung stehen theoretisch mehrere Möglichkeiten zur Verfügung: die genetische Veränderung von ES-Zellen, sodass keine MHC-Proteine mehr exprimiert werden, der Aufbau einer ES-Zellbank, die der Vielzahl verschiedener MHC-Profile in der Bevölkerung Rechnung tragen würde oder das therapeutische Klonen, um genetisch passende ES-Zellen für jeden Patienten zur Verfügung zu stellen. Auch hier sind die ethischen Implikationen nicht unerheblich. Noch großer Forschungsbedarf Dass Zelldifferenzierung auch reversibel sein kann, wurde sehr eindrücklich bei Amphibien nachgewiesen, bei denen terminal differenzierte Zellen neue Organe (zum Beispiel Extremitäten) bilden können (7).Auch das therapeutische Klonen belegt die Reversibilität des Differenzierungsprozesses: Der Kerntransfer aus einer ausdifferenzierten somatischen Zelle in eine entkernte Eizelle führt zur Entstehung von Stammzellen, aus denen sich sogar Embryonen entwickeln können (2, 25, 55). Allerdings ist der Kerntransfer bei Primaten bedingt durch Besonderheiten bei der mitotischen Spindelformierung infrage gestellt. Zur Produktion von ES-Zellen in Primaten ist er somit ungeeignet (45). ES-, aber auch adulte Stammzellen, verheißen somit zwar vielfältige, zuvor ungeahnte Möglichkeiten, werfen aber auch eine Reihe von Fragen auf: Welche humoralen Signale, Transkriptionsfaktoren und Kulturbedingungen führen zum Erhalt und zur Transdifferenzierung adulter Stammzellen? Ist die Transdifferenzierung, die nach einem Gewebeschaden erfolgt, deutlich zu steigern? Beruht sie nur auf dem Phänomen der Zellfusion? Diese letzte Frage ist aufgrund der aktuellen Datenlage in den letzten Jahren besonders lebhaft diskutiert worden. Die Frequenz fusionierter Zellen mit 10-6 scheint jedoch seltener Textkasten 1 Offene Fragen bei der Verwendung adulter Stammzellen Auftreten von Stammzellplastizität adulter Zellen ist selten (Funktionsanalysen sind daher wertvoll) Stammzellplastizität ist möglicherweise nicht für alle Organe und Differenzierungsrichtungen haltbar (Genmarkierungsstudien sind hier wichtig) Bei Verwendung größerer Zellmengen ist nicht bewiesen, dass eine Ursprungszelle mehrere Gewebetypen ersetzen kann Optimierte Expansionsmöglichkeiten liegen nicht für alle adulten Stammzellen vor Bei Kultur adulter Stammzellen können Kulturartefakte entstehen Textkasten 2 Forderungen zur Definition plastischer Stammzellen Die Ausgangszellpopulation muss eindeutig identifiziert sein, da bereits wenige kontaminierende Zellen zu veränderten Ergebnissen führen können.weiter sollten adulte Stammzellen ohne vorherige Zellkultur verwendet werden, um Veränderungen durch die Kultur zu verhindern. Die transdifferenzierte Zellpopulation muss eine stabile und quantitativ relevante Zellpopulation im fremden Gewebe darstellen und nicht nur als zufälliges, seltenes Phänomen auftreten. Die transdifferenzierte, stabile Zellpopulation muss zu nachgewiesener Funktionalität des neuen Gewebetyps beitragen; also beispielsweise nicht nur Markerproteine des spezifischen Gewebes, wie beispielsweise des Pankreas exprimieren, sondern tatsächlich auch Insulin produzieren. (modifiziert nach 2) vorzukommen als transdifferenzierte Stammzellen gefunden werden (49, 56) (Prävalenz ohne Gewebeschaden: 0,01 bis 1 Prozent, mit Gewebeschaden: 0,1 bis > 1 Prozent). Selten können jedoch auch binukleäre Zellen bis zu einem Prozent in einer Kokultur von MSC mit Epithelzellen entstehen (46). Eine andere Schwierigkeit ist, dass Zellen in Kultur nicht selten mutieren und charakteristische Marker anderer Zellreihen entwickeln können. Weiterhin können Zellen, die in fremdes Gewebe injiziert werden, fremde DNA aufnehmen und ihre Identität ändern, ohne tatsächliche Transformation. Dabei ist bekannt, dass Makrophagen Charakteristika von phagozytierten Zellen zeigen können. Zudem kann es sich anstatt von Myozyten, die sich in Blutzellen umgewandelt haben, um hämatopoetische Zellen handeln, die sich lediglich im jeweiligen Gewebe, wie im Muskel aufhalten (20, 26, 27, 38). Schwierigkeiten bereitet auch die Dateninterpretation, wenn mehrere Zellen als Zellsuspension anstatt Einzelzellen verwendet werden, da Gewebe wie Knochenmark ein Zellgemisch darstellt, das aus frühen und differenzierten hämatopoetischen Stammzellen, Osteoblasten, Endothelzellen, Fibroblasten und MSC besteht. Alle diese Zellen können grundsätzlich für die Plastizität verantwortlich sein (2). Die noch ungeklärten Fragen bei der Verwendung adulter Stammzellen sind im Textkasten 1 zusammengefasst. Dabei werden an die strenge Definition und überzeugende Demonstration der Funktionalität plastischer Stammzellen jetzt höhere Anforderungen gestellt (Textkasten 2). Schlussfolgerung Die Frage, ob adulte Stammzellen tatsächlich Plastizität aufweisen, lässt sich noch nicht abschließend beantworten. Es ist noch unklar, ob Zellen eines Gewebes so manipuliert werden können, dass sie phänotypisch und funktionell vollständig Zellen eines anderen Gewebetyps entsprechen. Weiterhin muss geklärt werden, ob diese Zellplastizität beziehungsweise Umwandlungsfähigkeit auch ohne In-vitro-Manipulation eintreten kann und ob diese Transformationspotenz zur Behand- A 3242 Deutsches Ärzteblatt Jg. 100 Heft Dezember 2003

7 lung zum Beispiel von schweren degenerativen Erkrankungen verwendet werden kann. Dass Pluripotenz oder Transdifferenzierung im Prinzip erreichbar ist, haben die Studien mit dem geklonten Schaf Dolly, Arbeiten mit embryonalen Stammzellen und Zellkulturexperimente mit mesenchymalen Zellen in Verbindung mit multipotenten adulten Progenitorzellen (MAPC) gezeigt (28, 43, 49, 53, 56). Trotzdem gibt es bisher keine ausreichenden Daten, die belegen, dass nach autologer oder allogener Blutstammzelltransplantation ebenfalls Begleiterkrankungen wie Leber-, Herzoder Nervendefekte geheilt werden können. Dies könnte damit zusammenhängen, dass in andere Gewebe transdifferenzierende Stammzellen eine sehr kleine, mit gängigen Methoden nicht nachzuweisende Zellpopulation ausmachen. Andererseits könnte Transdifferenzierung zwar eine allgemeine, aber nur selten eintretende Eigenschaft von Stammzellen sein. Eine dritte Möglichkeit ist, dass Spenderzellen sich mit hoher Frequenz in andere Gewebe transdifferenzieren können, aber heterologes Empfängergewebe das Engraftment behindert (2). Bisher wurde die Plastizität von adulten Stammzellen am zuverlässigsten für Knochenmark, MSC oder MAPC gezeigt. Die Zukunft wird zeigen, ob diese Zellen klinische Bedeutung erlangen. Danksagung: Wir danken Prof. Dr. R. Mertelsmann für seine kontinuierliche Unterstützung und ihm, wie auch Dr. A. Spyridonidis und Prof. Dr. J. Finke, für die kritische Durchsicht des Manuskriptes und wertvolle Anregungen. Meinen Eltern, Prof. Dr. Karlheinz Engelhardt und Dr. Elisabeth Engelhardt (Kiel), und Prof. Dr. R. Mertelsmann in Erinnerung an den Probevortrag im Rahmen meines Habilitationsverfahrens am gewidmet. Manuskript eingereicht: , revidierte Fassung angenommen: Zitierweise dieses Beitrags: Dtsch Arztebl 2003; 100: A [Heft 49] Die Zahlen in Klammern beziehen sich auf das Literaturverzeichnis, das beim Verfasser erhältlich oder im Internet unter abrufbar ist. Anschrift für die Verfasser: Priv.-Doz. Dr. med. Monika Engelhardt Medizinische Universitätsklinik Freiburg Hämatologie/Onkologie Hugstetterstraße 55, Freiburg engelhardtm@mm11.ukl.uni-freiburg.de Referiert HIV: Kostengünstige Methode zur Überwachung des Krankheitsstatus Die Untersuchung der Gesamtlymphozytenzahl und der Albuminkonzentrationen bieten möglicherweise eine kostengünstige Alternative zu konventionellen Methoden der Überwachung des Krankheitsstatus bei HIV-1-infizierten Kindern in Entwicklungsländern, berichtet ein US-amerikanisches Forscherteam. Bislang sind in einigen Gebieten dieser Länder die Kosten einer Laboranalyse der CD4-Lymphozytenzahlen und des Virustiters höher als die Kosten für antiretrovirale Medikamente. Die Wissenschaftler untersuchten den prognostischen Wert von fünf Messparametern (Gesamtlymphozytenzahl, Immunkomplex-dissoziiertes p24-antigen, Anzahl weißer Blutzellen, Hämatokrit- und Albuminkonzentration) für die Überlebenswahrscheinlichkeit von 376 HIV-1-infizierten Kindern. Anhand der Gesamtzahl der Lymphozyten sowie der Albuminkonzentration ließen sich die Überlebenschancen HIV-infizierter Kinder jeder Altersstufe voraussagen. Die Gesamtlymphozytenzahlen blieben auch aussagekräftig, wenn CD4- und RNA- Werte bekannt waren. Nach Ansicht der Autoren könnte in Gegenden, in denen CD4- und RNA- Tests nicht verfügbar sind, der Einsatz dieser Methoden eine relativ kostengünstige Möglichkeit darstellen, um herauszufinden, wann eine antiretrovirale Therapie bei Kindern begonnen werden muss. Se Mofenson LM,Harris DR,Moye J,Bethel J,Korelitz J,Read JS, Nugent R, Meyer W for the NICHD IVIG Clinical Trial Study Group: Alternatives to HIV-1 RNA concentration and CD4 count to predict mortality in HIV-1-infected children in resource-poor settings. Lancet 2003; 326: Dr. Lynne M Mofenson, Pediatric,Adolescent, and Maternal AIDS Branch, National Institute of Child Health and Human Development, National Institutes of Health, 6100 Executive Boulevard, Rockville, MD USA, LM65D@nih.gov Neues Medikament bei rheumatoider Arthritis Bei Patienten mit aktiver rheumatoider Arthritis kann ein neuer Wirkstoff, der die Proliferation von T-Zellen hemmt, in Kombination mit Methotrexat zu einer Verbesserung der Beschwerden führen. Das neue Medikament ist ein Fusionsprotein, das aus einer Proteindomäne des CTLA4-Rezeptors und einem IgG-Fragment besteht. Das Fusionsprotein (CTLA4Ig) hat eine hohe Affinität für CD80 und CD86 und hemmt die Kommunikation von T-Zellen mit Antigen-präsentierenden Zellen. Hierdurch wird die Proliferation von T-Zellen und die Ausschüttung von proinflammatorischen Zytokinen inhibiert. Joel Kremer et al. wählten mehr als 300 Patienten aus, die nach den Kriterien des American College of Rheumatology (ACR) den funktionellen Klassen 1, 2 oder 3 angehörten. Alle Studienteilnehmer waren zuvor erfolglos mit Methotrexat behandelt worden. Die Patienten erhielten täglich entweder 2 oder 10 mg CTLA4Ig pro kg Körpergewicht oder ein Placebo. Es zeigte sich, dass die 10-mg-Dosis am wirksamsten war: Nach der sechsmonatigen Behandlung hatten 60 Prozent eine 20- prozentige Verbesserung (ACR20) ihrer Symptomatik, wohingegen in der Placebogruppe 35 Prozent eine vergleichbare Linderung aufwiesen. Ein ACR50 erreichten 36,5 Prozent (Placebo: 11,8 Prozent), ein ACR70 noch 16,5 Prozent (Placebo: 1,7 Prozent). Die Substanz wurde gut vertragen. Nach Auffassung der Autoren greift CT- LA4Ig früh in die inflammatorische Signalkaskade ein und hemmt direkt die Aktivierung von T-Zellen, Makrophagen und anderen Immunzellen. me Kremer JM, Westhovens R, Leon M, et al.: Treatment of rheumatoid arthritis by selective inhibition of T-cell activation with fusion protein CTLA4Ig. N Engl J Med 2003; 349: Dr. Joel Kremer, Center for Rheumatology, 1367 Washington Avenue, Site 1, Albany, New York 12206, jkremer@ joint-docs.com A 3244 Deutsches Ärzteblatt Jg. 100 Heft Dezember 2003