Was kann die Stammzelltherapie leisten?

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1 Was kann die Stammzelltherapie leisten? Prof. Dr. med. Wolfram-Hubertus Zimmermann, Abteilung Pharmakologie, Herzzentrum und Zentrum für Pharmakologie und Toxikologie, Universitätsmedizin Göttingen Der Verschluss eines Herzkranzgefäßes führt zu einer Unterversorgung von Herzmuskelgewebe mit Blut und Sauerstoff. Die Folge ist der Herzinfarkt. Während des Herzinfarkts stirbt Herzmuskelgewebe ab und wird durch Narbengewebe ersetzt. Das Narbengewebe kann sich an der Pumparbeit des Herzens nicht beteiligen. Dadurch kommt es je nach Größe und Lage des Infarkts zu geringen oder massiven Einschränkungen der Leistungsfähigkeit des Herzens, d. h. zu einer Herzschwäche. Der Körper reagiert auf den Verlust von Herzmuskelgewebe damit, dass er Stresshormone wie Adrenalin und Noradrenalin ausschüttet und auch die Produktion von Hormonen erhöht, die die Gefäße verengen. Kurzfristig kann dadurch sogar die Herzfunktion gesteigert und der Kreislauf stabilisiert werden, aber auf Dauer wird das Herz überfordert. Die Überforderung führt zu einer weiteren Schädigung oder einem Untergang von Herzmuskelzellen. Moderne Medikamente wie z. B. Betablocker, ACE-Hemmer und Aldosteronantagonisten können diesen Prozess der Herzmuskelüberforderung verlangsamen, indem sie das Herz vor schädigenden körpereigenen Faktoren schützen. Eine Neubildung von Herzmuskelgewebe und eine Wiederherstellung der normalen Herzleistung können die heute verwendeten Arzneimittel allerdings nicht bewirken. Welche Zellen sind geeignet? Als Alternative wird seit etwa 15 Jahren die Anwendung von Zellen zur biologischen Herzmuskelreparatur erprobt. Das eigentliche Ziel der Zelltherapie ist der Wiederaufbau von Herzmuskelgewebe. Daher stellt sich die zentrale Frage, welche Zelle zu diesem Zweck dienlich sein kann. Auf der Hand liegt, dass ein Herzmuskelzellersatz die Neubildung von Herzmuskelzellen erfordert. Naheliegend wäre, Herzmuskelzellen direkt aus dem Herzen von Organspendern zu gewinnen und diese dann zu transplantieren. Das grundsätzliche Problem bei diesem Ansatz ist, dass es bisher nicht gelungen ist, Herzmuskelzellen aus erwachsenem Herzgewebe zu gewinnen und zu vermehren. Dies wäre aber notwendig, um den Verlust von durchschnittlich etwa einer Milliarde Herzmuskelzellen im Rahmen eines Herzinfarkts zu kompensieren. Im Gegensatz zu Herzmuskelzellen zeichnen sich Stammzellen durch die Fähigkeit zur unbegrenzten Vermehrung sowie Selbsterneuerung ohne Alterung aus. Wenn diese Zellen dann noch in der Lage wären, Herzmuskelzellen zu bilden, wäre die Grundvoraussetzung für eine Zelltherapie bei Herzmuskelschaden geschaffen. Das Potenzial von Stammzellen ist allerdings sehr unterschiedlich: Embryonale Stammzellen (Abb. 1, S. 12) können alle Zelltypen, auch Herzmuskelzellen, bilden. Sie werden deshalb als pluripotente Stammzellen bezeichnet. Aber der Einsatz von embryonalen Zellen ist gesetzlich stark eingeschränkt. Die derzeit vorhandenen Zelllinien können bei Patienten nicht zur Anwendung kommen. Auch besteht bei embryonalen Stammzellen die Gefahr der Abstoßung und der Bildung von Tumoren. Darüber hinaus können pluripotente 9

2 Stammzellen auch durch Reprogrammierung von Stammzellen aus Hautzellen, aus den Hoden oder aus unbefruchteten Eizellen gewonnen werden. In dieser Richtung wird intensiv geforscht, aber ob und wann diese pluripotenten Stammzellen beim Patienten eingesetzt werden können, ist derzeit noch nicht abzusehen. Adulte Stammzellen, d. h. Stammzellen aus dem Körper erwachsener Menschen, sind dagegen, wenn überhaupt nur unzuverlässig in der Lage, Herzmuskelzellen zu generieren. Dass adulte Stammzellen zum Wiederaufbau von Herzmuskelzellen eingesetzt werden können, ist daher unwahrscheinlich. Dass diese Zellen trotzdem einen therapeutischen Nutzen in klinischen Studien zeigen, lässt sich vermutlich über indirekte Effekte erklären. So ist bekannt, dass diese Zellen Wachstumshormone freisetzen, die umliegendes Gewebe möglicherweise vor einem Überlastungsschaden schützen. Ergebnisse der Stammzelltherapie Nach ersten vielversprechenden experimentellen Untersuchungen ist das Konzept, adulte Stammzellen in das Herz einzubringen, schnell am Patienten erprobt worden. Dafür stehen zwei Verfahren zur Verfügung: Knochenmark wird dem Patienten entnommen und aufbereitet. Dann werden die Zellen entweder über Herzkatheter in die Herzkranzgefäße eingebracht oder während einer Operation in den Herzmuskel gespritzt. Dabei wurden unterschiedliche Erfahrungen gemacht. Während es in einigen Studien zu einer Verbesserung der Herzleistung kam, musste der Therapieversuch in anderen Studien aufgrund von schweren Nebenwirkungen, vor allem wegen gefährlicher Herzrhythmusstörungen, abgebrochen werden. Inzwischen ist die Stammzelltherapie weiterentwickelt worden: In den Studien mit Vorläuferzellen aus dem Knochenmark traten weder gefährliche Herzrhythmusstörungen noch Tumore auf. Diese Untersuchungsergebnisse und ihre Bedeutung für den Patienten sind umstritten. Zusammenfassend scheinen folgende Interpretationen der bisherigen Studien zulässig: Die Therapie mit adulten Stammzellen kann Herzmuskelgewebe nicht wieder aufbauen. Aber es werden günstige Effekte beobachtet. Die Leistungsfähigkeit des Herzmuskels gemessen an der Auswurffraktion/ Ejektionsfraktion bessert sich geringfügig: Eine Zusammenfassung von 10 Studien (Lipinski 2007) zeigte durchschnittlich eine dreiprozentige Verbesserung der Auswurffraktion verglichen mit der Kontrollgruppe, die keine Infusion mit Stammzellen erhalten hatte. Wie lange die se Ergebnisse anhalten, darüber besteht Unklarheit. 18 Monate nach der Infusion von Stammzellen war in der BOOST-Studie 2006 kein Effekt mehr im Vergleich zur Kontrollgruppe nachweisbar. Jetzt, 2010, ist die 2-Jahre-Nachbeobachtung der REPAIR-AMI-Studie erschienen. Auch hier ist der Effekt auf die Auswurffraktion im Vergleich zur Kontrollgruppe statistisch nicht bedeutsam. Aber Tod, Herzinfarkt, neue Eingriffe am Herzen zusammengefasst waren in der behandelten Gruppe deutlich seltener. Solche Ereignisse traten bei den 101 behandelten Patienten in 28 Fällen auf, aber in 44 Fällen bei den 103 unbehandelten Patienten der Kontrollgruppe. Trotzdem lässt sich aus dieser Studie keine allgemeine Empfehlung zur Zelltherapie ableiten. Denn die Studie hat Schwächen: Sie ist in der Nachverfolgung nach einem Jahr nicht mehr doppelblind, was zu verzerrten Ergebnissen führen kann, und die Zahl der in der Studie eingeschlossenen Patienten (204) ist nicht groß genug, um überzeugende Aussagen zu machen. Auch ist wissenschaftlich nicht geklärt, wie diese Effekte zustande kommen. Es gibt darüber nur Vermutungen. Vor diesem Hintergrund ist es unstrittig, dass weitere grundlagenwis- 10

3 Den Herzinfarkt hat er gut überstanden. Aber die Zukunft kann Probleme bringen. Oft entwickelt sich nach einem großen Herzinfarkt später eine Herzschwäche, die im fortgeschrittenen Stadium das Leben sehr einschränkt. senschaftliche Untersuchungen und große kontrollierte Patientenstudien durchgeführt werden müssen, um das vielversprechende therapeutische Potenzial der Zelltherapie zu überprüfen. Insgesamt bleibt festzuhalten: Muskelaufbau kann nur durch das Einbringen neuer Herzmuskelzellen gelingen. Über adulte Stammzellen werden neue Herzmuskelzellen nicht bereitgestellt, aber vermutlich schützende Faktoren freigesetzt. Dagegen sind die pluripotenten Stammzellen grundsätzlich in der Lage, Herzmuskelzellen zu generieren. Das umfassende Potenzial von pluripotenten Stammzellen geht allerdings mit der Gefahr der Entartung bzw. der Entwicklung von unerwünschten Zelltypen, also Tumoren, einher. Aber es scheint in der Sicht der Forscher nur eine Frage der Zeit, bis die unerwünschten Nebenwirkungen von pluripotenten Stammzellen kontrolliert werden können. Probleme bei chronischer Herzschwäche Nach einem Herzinfarkt ist zunächst ein bestimmter Herzmuskelbereich geschädigt. Es liegt nahe, diesen Bereich durch leistungsfähiges Herzmuskelgewebe zu ersetzen. Im Rahmen der chronischen Herzschwäche sind dagegen oft große Anteile des Herzmuskels in Mitleidenschaft gezogen. Hier gilt es, den häufig diffusen Schaden anzugehen (Abb. 2, S. 13). 11

4 Künstliches Herzgewebe Abb. 1: Menschliche embryonale Stammzellen in Kultur (ungefärbt und rot nach Färbung eines Stammzellmarkers [ALP: Alkalische Phosphatase]; Bilder wurden freundlicherweise von Frau Dr. Kaomei Guan, Abteilung Kardiologie und Pneumologie, Universitätsmedizin Göttingen zur Verfügung gestellt). Eine Zelltherapie muss das berücksichtigen und Ersatzgewebe an den betroffenen Stellen generieren. Gleich, ob Zellen in den Herzmuskel gespritzt oder über Herzkatheter als Infusion in die Herzkranzgefäße eingebracht werden in beiden Fällen bleibt unklar, wie es bei einer lokalen Anwendung zu einem Gewebeersatz bei großflächigen Schäden kommen soll. Dies würde voraussetzen, dass Zellen gezielt in das defekte Gewebe einwandern, den richtigen Ort für eine Muskelbildung erkennen und dann Narbengewebe ersetzen. Dem steht gegenüber, dass Herzmuskelzellen nicht nur die Fähigkeit zur Vermehrung durch Zellteilung bereits während der Embryonalentwicklung weitestgehend verloren haben, sondern auch kaum in der Lage wären, sich im defekten Gewebe gleichmäßig zu verteilen. Auf der anderen Seite wirken ins Herz eingebrachte Stammzellen vermutlich indirekt über die Freisetzung von schützenden Faktoren. Über diesen Mechanismus ließe sich dann auch eine Wirkung im weiteren Umfeld der eingebrachten Stammzellen erklären. Eine andere Möglichkeit der Herzreparatur ist die Züchtung von Herzgewebe. Heute ist es möglich, künstliches Herzgewebe im Tierexperiment herzustellen. Das Gewebe hat ungefähr eine Dicke von 5 mm, den Umfang eines Golfballs und die Fähigkeit, Kraft zu entwickeln. Im Rahmen eines operativen Eingriffs kann es dann geschädigtes Gewebe ersetzen. Eine Voraussetzung ist allerdings, dass ein bestimmter Gewebedefekt (z. B. nach Herzinfarkt) vorliegt, der durch künstliches Herzgewebe gezielt ersetzt werden kann. Der Einsatz von künstlichem Herzgewebe bei chronischer Herzschwäche ist dagegen ungleich schwerer, da hier an verschiedenen Stellen geflickt werden müsste. Eine Alternative wäre der Einsatz eines vollständig biologischen, künstlichen Herzens. Obwohl dieser Ansatz bereits propagiert wird, bleibt dieses Konzept zur Zeit eher Wunschvorstellung als absehbare Realität. Als Fazit bleibt: Das direkte Einbringen von Zellen ist nach dem heutigem Wissensstand bestenfalls eine Weiterentwicklung der bewährten Therapie mit Medikamenten. Für einen Herzmuskelaufbau scheint ein Gewebeaustausch 12

5 Ersatz von Gewebe (A) Einbringen von Zellen (B) Abb. 2: Unterschiedliche Anforderungen an die zellbasierte Reparatur bei Herzinfarkt und chronischer Herzschwäche. (A) Nach einem Herzinfarkt ist eine definierte Herzmuskelregion geschädigt und könnte möglicherweise durch künstliches Herzgewebe (rot) ersetzt werden. (B) Die chronische Herzmuskelschwäche kann durch diffuse Schädigungen der Muskulatur (rot) hervorgerufen werden; durch das Einbringen von Zellen (Zellimplantation) könnten geschädigte Gewebebereiche möglicherweise ersetzt oder durch lösliche Faktoren aus den Zellimplantaten therapeutisch beeinflusst werden. nötig. Die Techniken zur Herzmuskelkonstruktion stehen zur Verfügung. Allerdings ist die Übertragbarkeit der experimentellen Technologie auf den Menschen noch nicht gelungen, und es bedarf intensiver Forschung, um den Weg vom Experiment zur Therapie am Patienten fortzusetzen. Perspektive der Zelltherapie Die Perspektive eines zellbasierten Wiederaufbaus von Herzmuskelgewebe ist zweifelsohne faszinierend. Dass dieses prinzipiell gelingen kann, wurde bereits dokumentiert, und unterschiedliche Forschungsgruppen arbeiten intensiv an diesem Projekt. Trotz aller Begeisterung für die zellbasierte Herzmuskelreparatur ist jedoch Vorsicht geboten. Es wäre falsch, zum heutigen Zeitpunkt überzogene Erwartungen zu wecken, die dann nur enttäuscht werden können. Entscheidend ist es jetzt, die vorhandenen Konzepte weiterzuentwickeln und in kontrollierten klinischen Studien zu überprüfen. Was ist dem Patienten nach einem Herzinfarkt zu raten? Nach einem Herzinfarkt stehen Therapien zur Verfügung, für die seit langem bewiesen ist, dass sie gegen die Entwicklung einer Herzschwäche wirksam sind. Zum Beispiel: Betablocker, ACE-Hemmer, Sartane, Aldosteronantagonisten, Resynchronisationstherapie, aber auch die in ihrer Bedeutung oft unterschätzte Bewegungstherapie. Eine Empfehlung, sich nach einem Herzinfarkt zusätzlich einer Stammzelltherapie zu unterziehen, kann derzeit nicht gegeben werden, da die Beweise für die Wirksamkeit einer solchen Therapie nicht überzeugend sind. Patienten, die sich trotz dieser Unsicherheit für die Stammzelltherapie interessieren, können an kontrollierten Studien teilnehmen, die durchgeführt werden, um die Wirksamkeit der Stammzelltherapie wissenschaftlich zu überprüfen. 13

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