Der Ersatz dopaminerger Neurone durch exogenes Gewebe bei Patienten mit idiopathischem Parkinson-Syndrom (IPS, auch Morbus Parkinson) ist seit vielen Jahren Ziel präklinischer und klinischer Forschung. Nachdem die ersten Versuche mit autologem Nebennierenmark keine anhaltende Besserung zeigten, wurde anschließend embryonales Mittelhirngewebe verwendet. Dieses Gewebe zeigte in zahlreichen Tierversuchen eine komplette Kompensation experimenteller Läsionen der Substantia nigra. Bereits 1987 führten diese erfolgreichen Experimente zu ersten klinischen Anwendungen.
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Zellersatztherapie bei Patienten mit Morbus Parkinson
Transplantation embryonalen Mittelhirngewebes
Initial wurde lediglich Gewebe eines Spenders pro Patient transplantiert. Um eine bessere klinische Wirkung zu erreichen, wurden später bis zu 4 Mittelhirne pro Gehirnhälfte verwendet. Die erheblichen ethischen und logistischen Probleme bei der Gewinnung des Gewebes verhinderten bisher den großzügigen Einsatz dieser Therapie. Dennoch sind inzwischen wahrscheinlich mehr als 400 Patienten mit embryonalem Mittelhirngewebe transplantiert worden. Bei den ersten offenen Studien zeigte sich, dass das Anwachsen der Transplantate durch Aufnahme radioaktiv-markierten L-DOPAs (18F-Fluorodopa) und der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) nachgewiesen werden konnte.
Dem erfolgreichen Nachweis der funktionellen Integration des Transplantats standen variable klinische Ergebnisse gegenüber. Einerseits wurde immer wieder von Patienten berichtet, die nach Transplantation eine deutliche Besserung der Behinderung erlebten und gleichzeitig auf die orale medikamentöse Therapie weitgehend verzichten konnten. Andererseits konnte bei anderen Patienten allenfalls eine leichte Besserung beobachtet werden.
Die Transplantation von primärem embryonalem Mittelhirngewebe wird derzeit kritisch diskutiert. Dies liegt einerseits an den fortbestehenden ethischen Problemen und der nicht befriedigenden klinischen Wirksamkeit. Daher besteht Bedarf an alternativen Geweben, die eine effektive Transplantation zahlreicher Patienten erlaubt.
Stammzellen als Alternative?
Die Erkenntnisse der vergangenen Jahre über die Proliferation und Differenzierung von „Stammzellen“ haben viel Enthusiasmus ausgelöst. Insbesondere die Generierung dopaminerger Neurone für die Therapie des Morbus Parkinson stellt eine attraktive Strategie dar, da dopaminerge Neurone nach Transplantation in das Striatum von Patienten mit Morbus Parkinson überleben und die Funktion des Dopamin-verarmten Striatums ändern können.
Derzeit werden eine Reihe von Stamm- und Vorläuferzellen untersucht. Die Nomenklatur der Einteilung dieser Zellen ist leider nicht eindeutig. Folgende Zellen sollten unterschieden werden:
Embryonale Stammzellen
Dies sind die eigentlichen Stammzellen. Embryonale Stammzellen werden aus der Blastozyste zum Zeitpunkt des 16-Zell Stadiums gewonnen. Das Proliferationspotenzial dieser Zellen unter Zugabe spezifischer Mitogene ist nahezu unbegrenzt. Embryonale Stammzellen sind totipotent. Dies bedeutet, dass aus diesen Zellen nicht nur jeder Zelltyp des jeweiligen Organismus sondern auch Individuen generiert werden können. In der Mausgenetik werden diese Zellen benutzt, um Knock-out- oder Knock-in-Mäuse zu generieren.
Neurale Stammzellen
Dies sind organspezifische Vorläuferzellen, die sowohl aus dem embryonalen und fetalen als auch aus dem adulten Gehirn gewonnen werden können. Das Proliferationspotenzial dieser Zellen ist begrenzt, dennoch ist es möglich eine Expansion über viele Monate durchzuführen. Neurale Stammzellen generieren praktisch ausschließlich Neuronen oder Glia. Ein Missbrauch ist nicht möglich.
Mesenchymale Stammzellen
Dies sind Vorläuferzellen des Knochenmarks. Mesenchymale Stammzellen können ebenfalls aus fetalem und adulten Knochenmark gewonnen werden. Das Proliferationspotenzial dieser Zellen ist nahezu unbegrenzt. Mesenchymale Stammzellen differenzieren in alle mesenchymalen Zelltypen. Allerdings scheint zumindest ein Teil dieser Zellen das Potenzial zu haben, in Neuronen oder Glia zu differenzieren.
Retinale Pigmentepithelzellen
Aus der Retina kann eine Population von Pigmentepithelzellen isoliert werden, die in vitro proliferiert werden können. Diese Zellen differenzieren in Dopamin-produzierende Zellen.
Embryonale Stammzellen der Maus können effizient in dopaminerge Neurone differenziert werden. Durch Veränderung des Proliferationsmediums werden diese Zellen zunächst in neurale Stammzellen differenziert, die dann weiter amplifiziert und anschließend in dopaminerge Neurone ausdifferenziert werden können. Die Nutzung embryonaler Stammzellen als Gewebequelle für die Therapie von Patienten mit Morbus Parkinson ist aber aus ethischen und biologischen Problemen vorerst unwahrscheinlich. Embryonale Stammzellen könnten missbraucht werden, um genetisch modifizierte Lebewesen zu erstellen. Daher muss die Forschung mit diesen Zellen strengen Auflagen unterliegen. Andererseits haben diese Zellen ein hohes Potenzial zur Entartung und nach Transplantation in Ratten wurden sehr bösartige Teratokarzinome beobachtet.
Neurale Stammzellen sind vorbestimmte Vorläuferzellen, die sich über eine determinierte Stammzelle aus totipotenten Stammzellen während der Ontogenese entwickeln und ubiquitär im embryonalen Gehirn vorkommen. Experimente mit fetalen menschlichen Vorläuferzellen beschränken sich vor allem auf Zellen, die aus dem frontalen Kortex oder ventrikel-nahen Arealen gewonnen werden. Adulte neurale Stammzellen stammen vorzugsweise aus hippokampalen Abschnitten, die im Rahmen epilepsiechirurgischer Eingriffe gewonnen werden. Obwohl diese Zellen sehr heterogen sind, wurden bereits erste klinische Studien diskutiert. Bisher ist noch unklar, in welchem Stadium neurale Stammzellen oder die determinierten neuronalen Stammzellen die Fähigkeit zur Mitose verlieren.
Von führenden Wissenschaftlern wird postuliert, dass Zellen, deren Pluripotenz weitgehend eingeschränkt ist, das Potenzial zur Selbsterneuerung verloren haben. Erfahrungen mit Rattenzellen können dies allerdings nicht bestätigen. Es konnten Zelllinien etabliert werden, die über mehrere Monate proliferieren und zu 98 % in dopaminerge Neuronen differenzieren. Diese klonalen Zellen besitzen zudem eine ausreichende Kapazität, das Dopamin-Defizit im unilateralen 6-OHDA-Modell auszugleichen.
Für die Zellersatztherapie des Morbus Parkinson werden humane dopaminerge Neurone benötigt. Diese Neurone konnten bisher allein aus neuralen Stammzellen differenziert werden, die aus dem menschlichen Mittelhirn isoliert wurden. Eine erfolgreiche in vitro oder in vivo Differenzierung neuraler Stammzellen aus anderen Hirnarealen oder humaner embryonaler Stammzellen (siehe oben) ist bisher nicht bekannt. Uns gelang es erstmals, humane mesenzephale neurale Stammzellen über einen Zeitraum von vielen Monaten in vitro zu expandieren. Als Mitogene werden in der Regel „epidermal growth factor“ (EGF) und “basic fibroblast growth factor“ (bFGF oder FGF2) verwendet. Als entscheidendes Charakteristikum der mesenzephalen Zellen erwies sich hierbei, dass diese Zellen ausschließlich in „physiologischen“ Sauerstoffkonzentrationen (< 5 %) proliferieren.
In dieser Hinsicht unterscheiden sich die neuralen Stammzellen mesenzephalen Ursprungs von denen aus frontalem Kortex oder Striatum, da letztere Zellen auch in Raumluft proliferieren können. Während bei diesen ersten Experimenten embryonales Mittelhirngewebe verwendet wurde, bevorzugen wir heute aus biologischen (Proliferationspotenzial und Determinierung) und ethischen (Frühgeburten versus Schwangerschaftsabbrüche) Gründen fetales Gewebe.
Die Differenzierung der neuralen Stammzellen erfolgte zunächst durch Entzug der Mitogene und unter Zugabe von Wachstumsfaktoren, Zytokinen, Serum, und/oder konditionierten Media. Neben den oben beschriebenen immunhistochemischen Analysen haben wir biochemische und elektrophysiologische Analysen der dopaminergen Neurone durchgeführt. Die humanen dopaminergen Neurone, die wir aus neuralen Stammzellen differenzieren können nicht nur Dopamin sezernieren, sondern zeigen auch elektrophysiologische Charakteristika dopaminerger Neurone. Nach Transplantation in einem Rattenmodell des Morbus Parkinson können diese Zellen das Dopamin-Defizit ausgleichen. Im Transplantat finden sich zahlreiche dopaminerge Neurone ohne wesentliche Immunantwort.
Somit gehen wir davon aus, dass humane mesenzephale neurale Stammzellen als Gewebequelle für die Transplantation zahlreicher Patienten mit Morbus Parkinson geeignet sind. Diese Zellen stellen ein besser zu kontrollierendes (mikrobiologische und genetische Testung) und homogeneres (Zellsortierung und Charakterisierung) dar, als dies mit anderen Geweben zu erreichen wäre.
Mesenchymale Stammzellen scheinen eine größere Pluripotenz zu besitzen als bisher angenommen. Wir haben ein Protokoll entwickelt, welches es erlaubt die rasch und stabil proliferierenden mesenchymalen Stammzellen in neurale Stammzellen zu konvertieren. Es ist bisher nicht abzusehen, ob aus diesen Zellen auch funktionale dopaminerge Neurone gewonnen werden können, obwohl bereits gezeigt wurde, dass mesenchymale Stammzellen direkt in Zellen differenziert werden können, die zumindest das Schlüsselenzym der Katecholaminsynthese, die Tyrosin-Hydroxylase, exprimieren. Es bleibt abzuwarten, ob diesen Zellen ggf. auch als autologes Zellmaterial für die Therapie des Morbus Parkinson zur Verfügung stehen werden.
Eine andere Alternative sind retinale Pigmentepithelzellen. Diese Zellen produzieren ebenfalls Dopamin, besitzen aber sonst wenige Charakteristika dopaminerger Neurone. Zudem sind diese Zellen nach Transplantation in das Wirtsgehirn allein nicht überlebensfähig, sondern benötigen hierfür eine Gelatinematrix als Wachstumsfläche (Spheramine®). Erste Experimente in Affen und Patienten mit Morbus Parkinson zeigten eine klinische Besserung der motorischen Behinderung. Derzeit wird bereits eine klinische Phase IIb Studie mit diesen Pigmentepithelzellen bei Patienten mit Morbus Parkinson durchgeführt.
Insgesamt ist die Transplantation von Patienten mit Morbus Parkinson weiterhin eine Herausforderung für Neurowissenschaften, Neurologie und Neurochirurgie. Die Ergebnisse der amerikanischen Doppelblind-Studien sollten nicht dazu führen, die klinische Testung neuer Gewebe zu verhindern.
