Stammzelllinie

Eine Stammzelllinie ist eine Gruppe von Stammzellen , die in vitro kultiviert und unbegrenzt vermehrt werden kann. Stammzelllinien werden aus tierischem oder menschlichem Gewebe gewonnen und stammen aus einer von drei Quellen: embryonalen Stammzellen , adulten Stammzellen oder induzierten pluripotenten Stammzellen . Sie werden häufig in der Forschung und der regenerativen Medizin eingesetzt.

Per Definition besitzen Stammzellen zwei Eigenschaften: (1) Sie können sich selbst erneuern, d. h. sie können sich unbegrenzt teilen und bleiben dabei undifferenziert ; und (2) sie sind pluripotent oder multipotent , d. h. sie können sich zu spezialisierten Zelltypen differenzieren. Aufgrund ihrer Fähigkeit zur Selbsterneuerung lässt sich eine Stammzelllinie in vitro unbegrenzt kultivieren.

Eine Stammzelllinie unterscheidet sich deutlich von einer immortalisierten Zelllinie , wie beispielsweise der HeLa- Zelllinie. Während sich Stammzellen aufgrund ihrer inhärenten Eigenschaften in Kultur unbegrenzt vermehren können, teilen sich immortalisierte Zellen normalerweise nicht unbegrenzt, sondern haben diese Fähigkeit durch Mutationen erlangt. Immortalisierte Zelllinien können aus Zellen gewonnen werden, die aus Tumoren isoliert wurden, oder es können Mutationen eingeführt werden, um die Zellen unsterblich zu machen. ^{[ 1 ]}

Eine Stammzelllinie unterscheidet sich auch von primären Zellen. Primäre Zellen sind Zellen, die isoliert und sofort verwendet werden. Primäre Zellen können sich nicht unbegrenzt teilen und lassen sich daher nicht über längere Zeiträume in vitro kultivieren.

Eine embryonale Stammzelllinie wird aus Zellen der inneren Zellmasse einer Blastozyste , einem frühen Stadium vor der Einnistung, gewonnen . ^{[ 2 ]} Beim Menschen tritt das Blastozystenstadium 4–5 Tage nach der Befruchtung ein. Zur Gewinnung einer embryonalen Stammzelllinie wird die innere Zellmasse aus der Blastozyste entnommen, vom Trophektoderm getrennt und in vitro auf einer Schicht von Stützzellen kultiviert. Für die Gewinnung humaner embryonaler Stammzelllinien werden Embryonen verwendet, die bei In-vitro-Fertilisationsbehandlungen (IVF) übrig geblieben sind. Die Tatsache, dass die Blastozyste dabei zerstört wird, hat Kontroversen und ethische Bedenken hervorgerufen.

Embryonale Stammzellen sind pluripotent , das heißt, sie können sich zu allen Zelltypen des Körpers differenzieren. In vitro können embryonale Stammzellen unter definierten Bedingungen kultiviert werden, um ihren pluripotenten Zustand zu erhalten, oder sie können durch biochemische und physikalische Reize zur Differenzierung in verschiedene Zelltypen angeregt werden.

Adulte Stammzellen finden sich in juvenilen und adulten Geweben. Sie sind multipotent : Im Gegensatz zu pluripotenten embryonalen Stammzellen können sie nur eine begrenzte Anzahl differenzierter Zelltypen bilden. Zu den adulten Stammzellen gehören hämatopoetische und mesenchymale Stammzellen . Hämatopoetische Stammzellen befinden sich im Knochenmark und bilden alle Zellen des Immunsystems, also alle Blutzellen. Mesenchymale Stammzellen kommen im Nabelschnurblut, im Fruchtwasser und im Fettgewebe vor und können verschiedene Zelltypen bilden, darunter Osteoblasten , Chondrozyten und Adipozyten . In der Medizin werden adulte Stammzellen am häufigsten für Knochenmarktransplantationen zur Behandlung vieler Knochen- und Blutkrebsarten sowie einiger Autoimmunerkrankungen eingesetzt. ^{[ 3 ]} (Siehe Transplantation hämatopoetischer Stammzellen )

Von den Arten adulter Stammzellen, die erfolgreich isoliert und identifiziert wurden, lassen sich nur mesenchymale Stammzellen über längere Zeiträume in Kultur vermehren. Andere adulte Stammzelltypen, wie beispielsweise hämatopoetische Stammzellen, sind in vitro schwer zu kultivieren und zu vermehren. ^{[ 4 ]} Die Entwicklung von Methoden zur Erhaltung hämatopoetischer Stammzellen in vitro ist ein aktives Forschungsgebiet. Daher existieren zwar mesenchymale Stammzelllinien, andere Arten adulter Stammzellen, die in vitro kultiviert werden, können jedoch besser als primäre Zellen klassifiziert werden.

Induzierte pluripotente Stammzelllinien (iPS-Zellen) sind pluripotente Stammzellen, die aus adulten/somatischen Zellen gewonnen werden. Die Methode zur Erzeugung von iPS-Zellen wurde 2006 von Shinya Yamanakas Arbeitsgruppe entwickelt; seine Gruppe zeigte, dass die Einführung von vier spezifischen Genen somatische Zellen in einen pluripotenten Stammzellzustand zurückversetzen kann. ^{[ 5 ]}

Im Vergleich zu embryonalen Stammzelllinien sind iPS-Zelllinien ebenfalls pluripotent, können aber ohne die Verwendung menschlicher Embryonen gewonnen werden – ein Verfahren, das ethische Bedenken hervorgerufen hat. Darüber hinaus lassen sich patientenspezifische iPS-Zelllinien erzeugen, also Zelllinien, die genetisch mit einem Individuum übereinstimmen. Solche patientenspezifischen iPS-Zelllinien wurden bereits zur Erforschung von Krankheiten ^{[ 6 ]} und zur Entwicklung patientenspezifischer Therapien entwickelt.

Stammzelllinien werden in Inkubatoren unter spezifischen Temperatur- und Atmosphärenbedingungen (37 °C und 5 % CO₂) kultiviert und gehalten _. Die Kulturbedingungen, wie z. B. das Zellwachstumsmedium und die Oberfläche, auf der die Zellen wachsen, variieren stark je nach Stammzelllinie. Dem Medium können verschiedene biochemische Faktoren zugesetzt werden, um den Zellphänotyp zu steuern – beispielsweise um Stammzellen im pluripotenten Zustand zu erhalten oder sie zu einem bestimmten Zelltyp zu differenzieren.

Stammzelllinien werden in der Forschung und der regenerativen Medizin eingesetzt. Sie dienen der Erforschung der Stammzellbiologie und der frühen menschlichen Entwicklung. In der regenerativen Medizin wird die Verwendung von Stammzellen in zellbasierten Therapien zur Ersetzung geschädigter oder erkrankter Zellen und Gewebe angestrebt. Beispiele für Erkrankungen, für die Forscher stammzellbasierte Behandlungen entwickeln, sind neurodegenerative Erkrankungen, Diabetes und Rückenmarksverletzungen.

Stammzellen in vitro

Stammzellen könnten als ideale In-vitro-Plattform zur Untersuchung von Entwicklungsveränderungen auf molekularer Ebene dienen. Neuronale Stammzellen (NSC) wurden beispielsweise als Modell verwendet, um die Mechanismen der Differenzierung und Reifung von Zellen des zentralen Nervensystems (ZNS) zu erforschen. Diese Studien gewinnen in letzter Zeit zunehmend an Bedeutung, da sie optimiert werden können und für die Modellierung neurodegenerativer Erkrankungen und Hirntumoren relevant sind. ^{[ 7 ]}

Die Gewinnung und Verwendung humaner embryonaler Stammzelllinien ist umstritten. Diese Kontroverse rührt daher, dass die Gewinnung humaner embryonaler Stammzellen die Zerstörung eines menschlichen Embryos im Blastozystenstadium vor der Implantation erfordert. Es bestehen sehr unterschiedliche Ansichten hinsichtlich der ethischen Frage, die menschlichen Embryonen im Blastozystenstadium zukommt. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

In den Vereinigten Staaten legte die Executive Order 13505 fest, dass Bundesmittel für Forschungsprojekte verwendet werden dürfen, in denen zugelassene humane embryonale Stammzelllinien (hESC) zum Einsatz kommen. Die Gewinnung neuer Zelllinien ist jedoch untersagt. ^{[ 10 ]} Die Richtlinien der National Institutes of Health (NIH) zur Stammzellforschung am Menschen, die am 7. Juli 2009 in Kraft traten, setzten die Executive Order 13505 um, indem sie Kriterien festlegten, die hESC-Linien erfüllen müssen, um für eine Förderung zugelassen zu werden. ^{[ 11 ]} Das NIH-Register für humane embryonale Stammzellen ist online zugänglich und enthält aktuelle Informationen zu Zelllinien, die für eine NIH-Förderung in Frage kommen. ^{[ 12 ]} Stand Januar 2022 gab es 486 zugelassene Zelllinien. ^{[ 13 ]}

Studien haben gezeigt, dass zugelassene hESC-Linien in den USA nicht einheitlich verwendet werden. Daten von Zellbanken und Umfragen unter Forschern deuten darauf hin, dass nur wenige der verfügbaren hESC-Linien routinemäßig in der Forschung eingesetzt werden. Verfügbarkeit und Nutzen werden als die beiden Hauptfaktoren genannt, die die Wahl der hESC-Linien durch Wissenschaftler beeinflussen. ^{[ 14 ]}

Eine Umfrage unter Stammzellforschern in den USA aus dem Jahr 2011, die hESC-Linien in ihrer Forschung verwenden, ergab, dass 54 % der Befragten zwei oder weniger Linien und 75 % drei oder weniger Linien verwendeten. ^{[ 15 ]}

Eine weitere Studie untersuchte die Anfragen nach Zelllinien, die von den größten US-amerikanischen Stammzellbanken, der National Stem Cell Bank (NSCB) und dem Harvard Stem Cell Institute (HSCI; Cambridge, MA, USA), im Zeitraum März 1999 bis Dezember 2008 (NSCB) bzw. April 2004 bis Dezember 2008 (HSCI) erfüllt wurden. ^{[ 16 ]} Bei der NSCB entfielen 77 % der Anfragen auf zwei der 21 zugelassenen Zelllinien (H1 und H9). Beim HSCI entfielen von den 17 Linien, die mehr als einmal angefragt wurden, 24,7 % auf die beiden am häufigsten angefragten Linien.

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