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Stammzellen aus Nabelschnurblut

Konrad Schauenstein, Gottfried Dohr, Karl-Heinz Preisegger

Die Stammzellen im Nabelschnurblut stellen die jüngste Population von adulten Stammzellen dar, die ohne Risiko oder Belastung für Mutter und Kind und ohne ethischen Probleme ge-wonnen werden können. Diese Zellen unterscheiden sich in ihren Eigenschaften einerseits von aggressiv wachsenden, tumorigenen embryonalen Stammzellen und andererseits von den bereits gealterten adulten Stammzellen späterer Lebensalter. Nabelschnurblut wird erfolgreich als Stammzellsubstrat zur allogenen Transplantation eingesetzt. Die Kryokonservierung von Nabelschnurblut zum Zweck einer autologen Anwendung im späteren Leben erscheint in Anbetracht neuester tierexperimenteller Daten insbesondere bezüglich einer möglichen Therapie von Alterskrankheiten, wie Arteriosklerose, attraktiv.

Zusammenfassung
Die Stammzellen im Nabelschnurblut stellen die jüngste Population von adulten Stammzellen dar, die ohne Risiko oder Belastung für Mutter und Kind und ohne ethischen Probleme ge-wonnen werden können. Diese Zellen unterscheiden sich in ihren Eigenschaften einerseits von aggressiv wachsenden, tumorigenen embryonalen Stammzellen und andererseits von den bereits gealterten adulten Stammzellen späterer Lebensalter. Nabelschnurblut wird erfolgreich als Stammzellsubstrat zur allogenen Transplantation eingesetzt. Die Kryokonservierung von Nabelschnurblut zum Zweck einer autologen Anwendung im späteren Leben erscheint in Anbetracht neuester tierexperimenteller Daten insbesondere bezüglich einer möglichen Therapie von Alterskrankheiten, wie Arteriosklerose, attraktiv.

Summary
Umbilical cord blood cells constitute the youngest population of adult stem cells that can be obtained without any risk or harm for mother and newborn, and without any ethical problems. These cells significantly differ in their biological properties from aggressively growing and tumorigenic embryonal stem cells on one hand, and from those of adult stem cells of higher ages on the other. Umbilical cord blood is being successfully used for allogenic stem cell transplantation. Cryopreservation of umbilical cord blood towards autologous use later in life appears attractive, particularly in the light of most recent experimental data showing the pro-tective effect of young stem cell preparations on age associated diseases, such as atherosclerosis.

1. Stammzellen – einst und jetzt
Unter Stammzellen versteht man undifferenzierte Zellen, die sich einerseits scheinbar unbegrenzt selbst erneuern und andererseits in reife Zellen mit definierten morphologischen und funktionellen Eigenschaften differenzieren können.

Der Begriff Stammzelle geht auf die klassischen Untersuchungen von Till und McCulloch [1] zurück, die vor über 40 Jahren im Knochenmark jene Zellen identifizierten, die zeitlebens für die Regeneration des hämopoietischen Systems verantwortlich sind. Die hämopoietische Stammzelle im Knochenmark ist somit der Prototyp der adulten Stammzelle.

Ein weiterer Meilenstein in der Stammzellforschung war zu Anfang der achtziger Jahre die Isolierung von embryonalen Stammzellen aus der inneren Zellmasse der Blastozyste der Maus [2] und die Entwicklung von kontinuierlichen Stammzell-Linien. Die ersten humanen embryonalen Stammzellen wurden erst Ende der Neunziger Jahre von Thompson et al. [3] erfolgreich isoliert und als Zell-Linien etabliert. Embryonale Stammzellen werden als multi- oder pluripotent bezeichnet, da sie sich in Gewebszellen aller drei Keimblätter differenzieren können.

Worin bestehen die Erkenntnisse der letzten Zeit, die unsere Sicht der Biologie von Stammzellen revolutioniert haben und die Anlass zu Erwartungen geben, dass Stammzellen die Therapie von einer großen Anzahl von Krankheiten revolutionieren könnten?

Zum Einen ist dies die Erkenntnis, dass nicht nur das Knochenmark adulte Stammzellen aufweist, sondern dass verschiedenste Gewebe, unter anderem auch solche mit einem scheinbar niedrigen Regenerationspotential, wie z.B. Muskel, Myokard und Gehirn, Zellen enthalten, die zur gewebsspezifischen Regeneration befähigt sind [4]. Zumindest zum Teil scheinen diese adulten Stammzellen aus dem Knochenmark einzuwandern, wie das erstmals durch Ergebnisse an weiblichen Empfängern von Knochenmarkstransplantaten männlicher Spender im Versuchstier und beim Menschen mit Hilfe von geschlechtschromosomaler Markierung gezeigt wurde [5]. Die These, dass diese Zellmarkierung in den peripheren Geweben durch Fusion der Knochenmarkszellen mit bestehenden Organzellen zustande kommt [6], ist weitgehend widerlegt, d.h. man kann davon ausgehen, dass diese aus dem Knochenmark stammenden Zellen tatsächlich regenerative Funktionen haben und sich an Ort und Stelle in funktionierende Organzellen differenzieren können [7,8].

Zweitens hat sich herausgestellt, dass Stammzellen des Knochenmarks nicht nur auf die Regeneration des hämopoietischen Systems beschränkt sind, sondern sich in vitro und in vivo in praktisch alle peripheren Gewebe differenzieren können. Zellen, die sich in Gewebe wie Muskel, Myokard, Knochen, Knorpel und Nerven entwickeln, unterscheiden sich von den hämopoietischen Stammzellen in Morphologie und Oberflächenmarkern und werden als mesenchymale Stammzellen bezeichnet. Letztere beinhalten offenbar Zellen, die als „Multipotent Adult Precursor Cells (MAPC)“ bezeichnet werden und die in ihrem Reifungspotential an embryonale Stammzellen herankommen [9] Diese Zellen wurden in jüngster Zeit ebenfalls in anderen Organen, wie Gehirn und Muskel, nachgewiesen [10].

Prinzipiell gibt es also zwei Möglichkeiten, wie die „Plastizität“ von adulten Stammzellen erklärt werden kann. Zum einen könnte es sich um „Transdifferenzierung“ von bereits geprägten Stammzellen handeln, und zum anderen könnten MAPC sich in verschiedenste Zell-Linien entwickeln. Es ist gut möglich, dass beide Mechanismen nebeneinander bestehen.

Unabhängig von der Frage nach den zu Grunde liegenden Mechanismen eröffnen diese im Vorigen skizzierten Befunde neue Aspekte im allgemeinen Verständnis der Ätiologie und Genese von Krankheiten. Während wir bis vor kurzem Krankheit ausschließlich als das Ergebnis von Degeneration aufgefasst haben, rückt nun der Quotient aus Degeneration und Regeneration in den Blickpunkt des pathophysiologischen Verständnisses. Dem entsprechend entwickeln sich auch neue Konzepte in der Therapie einer Vielzahl von Erkrankungen des Menschen, die auf eine Verbesserung der spezifischen Regeneration von untergegangenen Geweben mit Hilfe von embryonalen oder adulten Stammzellen abzielen.

So haben Therapieversuche an Tiermodellen mehrfach und überzeugend gezeigt, dass die Verabreichung von embryonalen Stammzellen oder adulten Stammzellen aus dem Knochenmark oder aus quergestreiftem Muskel zur Regeneration des infarktgeschädigten Myokards bzw. zur Neubildung von Gefäßen führen [11,12]. Eine Reihe entsprechender klinischer Studien am Menschen sind derzeit unterwegs und die ersten Ergebnisse scheinen vielversprechend [13].

Aufregend sind auch experimentelle Studien an Ratten mit experimentellem Morbus Parkinson, bei denen die Verabreichung von humanen, embryonalen Stammzellpräparationen zu einer Neubildung von Neuronen in verschiedenen Gehirnarealen und zu einem deutlichen therapeutischen Effekt geführt hat [14].

Schließlich wurde vor kurzem gezeigt, dass die Transplantation von hämopoietischen Stammzellen aus dem adulten Knochenmark zur Regeneration von Leberzellen im Empfängertier führten [15] .

Die Liste von Kandidatenkrankheiten, für deren Therapie man sich von der Stammzelltechnologie entscheidende Vorteile erwarten kann, umfasst unter anderem den Herzinfarkt und apoplektischen Insult, akute und chronische Lebererkrankungen sowie degenerative Erkrankungen des Gehirns und des Bindegewebes.

2. Stammzellen im Nabelschnurblut
Das Blut der Nabelschnur enthält zur Zeit der Geburt ca. 0.05 bis 0.1%. hämatopoietische (CD34+) Stammzellen. Das Vorkommen von mesenchymalen Stammzellen im Nabel-schnurblut des reifen Neugeborenen ist kontroversiell [16,17]. Nichtsdestoweniger gibt es mehrfach Berichte, wonach sich humane Nabelschnurblutzellen in vitro und im NOD-SCID Mausmodell z.B. in neuronale Zellen oder auch in Hepatozyten entwickeln können [18,19]. Ob diese Differenzierung durch Transdifferenzierung von hämatopoietischen (CD34+) Stammzellen zustande kommt oder auf die Anwesenheit geringer Mengen nicht hämopoietischer, multipotenter Stammzellen zurückzuführen ist, ist noch nicht endgültig geklärt.

Definitionsgemäß stellen die Stammzellen des Nabelschnurblutes des reifen Neugeborenen die allerjüngsten adulten Stammzellen dar, die durch Punktion der Nabelschnurvene unmittelbar nach der Geburt ohne Risiko oder belastenden Eingriff zu gewinnen sind.

Offensichtlich im Zusammenhang mit dem frühen Stadium stehen besondere Eigenschaften dieser Zellen, die sie von den späteren Formen der adulten Stammzellen unterscheiden. So zeichnen sich hämatopoietische Stammzellen des Nabelschnurblutes im Vergleich zu jenen des Knochenmarks durch eine besonders gute Proliferation und Vermehrbarkeit in vitro aus [20, Kittinger et al., in Vorbereitung]. Auch die Kapazität zur Differenzierung dieser Zellen in die myeloischen Zellreihen im colony forming assay erscheint höher im Vergleich mit jener der hämatopoietischen Stammzellen des Knochenmarks [20].

Ein weiteres Merkmal der Nabelschnurblutstammzellen ist ihre immunologische Unreife. Klinische Erfahrungen mit Transplantationen von Stammzellen des Nabelschnurblutes haben gezeigt, dass das Risiko von Transplantat-gegen-Wirt-Reaktionen (graft-versus-host-reaction, GvHR) im Vergleich mit adulten Stammzellen des Knochenmarkes um vieles niedriger ist [21]. Die Mechanismen dieser verminderten Reagibilität sind noch nicht endgültig geklärt. Sie könnten in einer verminderten oder veränderten Expression von HLA-Antigenen [22] und/oder in der Wirkung supprimierender Zytokine, wie z.B. IL-10 oder Transforming Growth Factor beta (TGFb) [23] bestehen.

Von den multipotenten embryonalen Stammzellen grenzen sich die Stammzellen des Nabelschnurblutes in ihren biologischen Eigenschaften insofern ab, als sie bei Transplantationen – ähnlich wie die übrigen adulten Stammzellen – nach den bisherigen Er-fahrungen offensichtlich mit keinem erhöhten Risiko einer malignen Entartung behaftet sind.

Im Vergleich zu den Knochenmarksstammzellen höherer Lebensalter sind die Zellen des Nabelschnurblutes, abgesehen von seltenen familiären Tumorerkrankungen, frei von kontaminierenden Tumorzellen (Mikrometastasen), die bei Anwendung der autologen Kno-chenmarkstransplantation zur Regeneration der Hämopoiese nach Chemotherapie Anlass zu Tumorrezidiven sein können. Ebenso ist das Nabelschnurblut üblicherweise frei von virus-infizierten Zellen.

3. Anwendungen von Stammzellen aus dem Nabelschnurblut

3.1. Allogene Stamzelltransplantation
Stammzellen aus dem Nabelschnurblut wurden und werden als Alternative zu adulten Stammzellen aus dem Knochenmark bzw. aus dem peripheren Blut für die allogene Stammzelltransplantation zur Regeneration der Hämopoiese nach Chemotherapie von Tumoren eingesetzt [24]. Weltweit sind bisher ca 3000 solcher allogener Transplantationen mit Stammzellen aus dem Nabelschnurblut durchgeführt worden. Die Federal Drug Administration (FDA) in den USA hat vor kurzem offiziell die Nabelschnur als eine dem Knochenmark gleichwertige Quelle für Stammzellen anerkannt.

Ein wesentlicher Vorteil im Vergleich zu den übrigen Stammzellressourcen ist die bereits oben angeführte immunologische Unreife dieser Zellen. Dieser Aspekt kommt dann ins Spiel, wenn für einen Empfänger kein geeignetes, d.h. HLA-passendes, Spenderknochenmark gefunden werden kann. Erfahrungen mit Nabelschnurblut haben gezeigt, dass selbst bei Vorliegen von bis zu zwei HLA Disparitäten eine GvHR ausbleiben kann [25].

Neben der Anwendung in der Tumortherapie gibt es bereits mehrere Berichte von erfolgreichen Transplantationen von Nabelschnurblutzellen zur Therapie von angeborenen Immundefekten, wie z.B. das Wiskott-Aldrich Syndrom [26].

Ein Nachteil im Vergleich zu Knochenmark oder peripherem Blut ist die üblicherweise geringe Zellzahl, die bei Erwachsenen zu einem verzögerten Angehen des Transplantates führt bzw. die bisherigen Anwendungen vorwiegend auf pädiatrische Tumorpatienten beschränkt hat. Diesem Problem kann man einerseits durch die kombinierte Verabreichung von Nabelschnurblutzellen verschiedener Spender begegnen, andererseits zeigen erste Erfahrungen, dass auch in vitro expandierte Nabelschnurblutzellen (siehe oben) erfolgreich zur Transplantation herangezogen werden können [27]. Ein weiterer Weg, dieses Problem in den Griff zu bekommen, könnte in einer neuen Applikationsform bestehen. Jüngste Ergebnisse im Tiermodell zeigen, dass bei direkter Einbringung von Stammzellen in den Knochen nur ein Bruchteil der Zellmengen für eine erfolgreiche Transplantation erforderlich ist, die bei der üblichen intravenösen Applikation derzeit angewendet werden müssen [28].

Die Bedeutung der Transplantation von Nabelschnurblutzellen ist weltweit akzeptiert und spiegelt sich auch im zunehmenden Aufbau von Nabelschnurblutbanken wider. Die erste österreichische Fremdspenderbank für Nabelschnurblut wurde kürzlich vom Roten Kreuz in Linz eröffnet.

3.2. Autologe Stammzelltherapie
Angesichts der positiven Erfahrungen der allogenen Transplantation von Nabelschnurblut und angesichts der eingangs erwähnten Perspektiven einer künftigen Stammzelltherapie vieler Krankheiten gewinnt der Aspekt der vorsorglichen Einlagerung von kryokonserviertem Nabelschnurblut zum Zweck einer eventuellen späteren autologen Anwendung in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung. Eine Reihe von Privatfirmen in den USA und Westeuropa bietet die Einlagerung von Nabelschnurblutzellen an. Das Konzept wird unterschiedlich diskutiert bzw. beurteilt. Die Skepsis konzentriert sich auf den Umstand, dass derzeit noch keine klinischen Erfahrungen mit der Behandlung von aufgetauten autologen Stammzellen aus dem Nabelschnurblut vorliegen und die Wahrscheinlichkeit einer möglichen Anwendung aus heutiger Sicht extrem niedrig sei. Dies ist allerdings in Anbetracht der Tatsache, dass das mögliche therapeutische Potential von Stammzellen – abgesehen von der Regeneration der Hämopoiese - erst seit wenigen Jahren bekannt ist, nicht verwunderlich. Argumente, die für die Eigenvorsorge mit Nabelschnurblut sprechen, sind unter anderem die vielversprechenden Ergebnisse der Stammzelltherapie in präklinischen und klinischen Studien, der Wegfall von immunologischen Komplikationen auf Grund der autologen Anwendung, und nicht zuletzt die Tatsache, dass diese jüngsten somatischen Stammzellen nur einmal, nämlich zur Zeit der Geburt, gewonnen werden können.

3.3. Nabelschnurblutzellen als mögliche diagnostische Parameter
Erfahrungen mit der Aufarbeitung von Zellen aus dem Nabelschnurblut haben große interindividuelle Schwankungen bezüglich verschiedener biologischer Parameter ergeben, wie z.B. der Gehalt an mononukleären Zellen, die Zusammensetzung nach serologisch definierten Populationen und das klonogene Potential der hämopoietischen Stammzellen [29, Jandrositz et al., in Vorbereitung]. Diese Befunde spiegeln möglicherweise die Wirkung von prä- und perinatalen Einflüssen und/oder Zuständen auf den Fetus wider und könnten daher als neue, sensitive diagnostische Parameter für den Gesundheitszustand des Fetus bzw. Neugeborenen eingesetzt werden. So zeigten Shlebak et al. [29] erstmals, dass mütterliche und fetale Variablen, wie ethnische Herkunft, mütterlicher Alkohol- und Zigarettenkonsum, Geburtsgewicht, pH des Nabelschnurblutes, die Art der Entbindung und die Dauer der Eröffnungswehen das Probengesamtvolumen, die Ausbeute an mononukleären Zellen und die Bildung von primären und sekundären Granulozyten/ Makrophagen-Kolonien signifikant beeinflussten.

Aufbauend auf diesen Beobachtungen wird gegenwärtig von unserer Gruppe eine Studie in Angriff genommen, die zum Ziel hat, an Hand der biologischen Eigenschaften der Zellen des Nabelschnurblutes Schwangerschafts-Risikofaktoren, wie z.B. psychischer Stress oder oxidativer Stress, zu identifizieren und außerdem diese Messgrößen generell als klinisch-diagnostische Parameter für den Gesundheitszustand des Neugeborenen, sozusagen als Er-gänzung zum APGAR Score, zu etablieren. Weiters soll 12 Monate post partum retrospektiv untersucht werden, ob die biologischen Eigenschaften von Nabelschnurblutzellen zur Zeit der Geburt von prognostischer Relevanz für die postpartale Entwicklung und Gesundheit des Neugeborenen sind.

4. Stammzellen und Alter
Die Fähigkeit zur hämopoietischen Regeneration im Knochenmark bleibt im gesunden Men-schen zeitlebens und bis ins hohe Alter weitgehend erhalten und die Frage, ob oder inwieweit das Stammzellkompartment einem Alterungsprozess unterliegt, wurde bis vor kurzem kontro-versiell beurteilt. Neuere Daten zeigen jedoch, dass es auch in frühen hämopoietischen Vor-läuferzellen mit zunehmendem replikativem Alter zur Verkürzung der chromosomalen Telo-mere kommt, was letztlich die Lebensspanne einer Zelle in vitro und in vivo begrenzt [30]. Dies spricht dafür, dass auch die adulte Stammzelle dem physiologischen Altersprozess unterworfen ist. Im Einklang damit stehen Befunde, wonach es mit zunehmendem Alter zu quantitativen, vor allem aber zu qualitativen Einbußen der hämatopoietischen Stammzellen bzw. ihrer Funktionen kommt, was besonders bei Zuständen, die einer erhöhte Hämopoiese erfordern, offenbar wird. Dies betrifft sowohl das Vermögen zur Selbsterneuerung als auch die Breite des Reifungspotentials und es ist zu erwarten, dass auch die erwähnte Plastizität von Stammzellen mit steigendem Alter abnimmt [31].

Neueste tierexperimentelle Daten weisen darauf hin, dass das altersbedingte Auftreten von Arterosklerose nicht nur durch die Akkumulation von Endothelschäden, sondern vor allem durch den zunehmenden Verlust der zellulären Reparaturkapazität durch vaskuläre Proge-nitorzellen aus dem Knochenmark erklärt werden kann [32]. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass die intravenöse Behandlung mit Knochenmarksstammzellen junger Mäuse eine sig-nifikante Hemmung der Arteriosklerose sogar in ApoE-/- Mäusen mit einer extremen Hyper-cholesterinämie bewirkt, während die Therapie mit Knochenmarkszellen aus gealterten Ver-suchstieren einen wesentlich schwächeren Effekt hat.

Diese Ergebnisse führen uns zurück zum eingangs erwähnten pathophysiologischen Konzept, wonach Krankheit durch den Quotient aus Degeneration und Regeneration zu definieren ist. Es ist zu erwarten, dass sich dieses Konzept bei einer Reihe weiterer typischer Alterskrank-heiten, wie z.B. Mb. Alzheimer, chronische Polyarthritis sowie altersassoziierte Immunde-fekte bewahrheiten wird.

In Anbetracht dieser neuesten Entwicklungen erscheint es angezeigt, die derzeit noch vielfach übliche Entsorgung der Stammzellen in Plazenta und Nabelschnur zu überdenken, da diese Zellen allein auf Grund ihrer Jugend in der Therapie insbesondere von Alterskrankheiten möglicherweise ein großes therapeutisches Potential darstellen.

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