Systemische Applikation von autologen Knochenmarkzellen bei

Systemische Applikation von autologen Knochenmarkzellen bei Patienten mit
Morbus Parkinson – aktueller Stand
Stellungnahme der Sprecher der Arbeitsgruppe „Zellersatz und Regeneration“ der
Deutschen Parkinson Gesellschaft e.V. (DPG)
abgestimmt mit Prof. Ehninger, Geschäftführender Vorsitzender der
Deutschen Gesellschaft für Hämatologie und Onkologie e.V. (DGHO)
Johannes Schwarz1 und Alexander Storch2
1Klinik
und Poliklinik für Neurologie, Universität Leipzig, 04103 Leipzig
2Klinik
und Poliklinik für Neurologie, Technische Universität Dresden, 01307 Dresden
Trotz vieler therapeutischer Optionen bleibt die Therapie des Morbus Parkinson vor allem in
fortgeschrittenen
Stadien
schwierig.
Regenerative
Strategien,
die
zu
einer
Funktionsverbesserung der betroffenen Zellen oder deren Ersatz durch Fremdzellen
umfassen, haben großes Potential hierbei gravierende Veränderungen herbeizuführen. Der
Transplantation von Neuronen bei Morbus Parkinson liegt ein klar definierter biologischer
Mechanismus zu Grunde: Die funktionelle Verbesserung durch Wiederherstellung der
dopaminergen
Übertragung
Transplantationsexperimente
im
Striatum
begannen
Anfang
(Storch
der
et
70er
al.
2003).
Jahre,
als
Erste
neue
immunzytochemische und bildgebende Methoden es ermöglichten, neuronale Transplantate
zu untersuchen. Seit 1987, als die ersten klinischen Studien mit Neuronen des vorderen
Mittelhirns aus menschlichen Embryonen begannen, wurden weltweit etwa 350 Patienten
transplantiert. In zwei kontrollierten, doppelblinden klinischen Studien zeigte allerdings nur
Stellungnahme zur autologen Knochenmarkstammzellapplikation beim Mb. Parkinson ein
Teil der Patienten eine signifikante Verbesserung ihrer motorischen Funktion (Olanow et al.
2003), (Freed et al. 2001). Da auch Nebenwirkungen, wie medikamentenunabhängige
Dyskinesien auftraten, wird die Transplantation von fetalem Mittelhirngewebe heute nicht
mehr empfohlen. Auch die kürzlich berichtete kontrollierte doppelblinde klinische Studie zur
intrastriatalen Transplantation von Levodopa-produzierenden retinalen Pigmentepithelzellen
(RPE-Zellen; Spheramine®) konnte keine klinisch relevante Verbesserung der motorischen
Funktion von Parkinson-Patienten gegenüber Plazebo zeigen.
Es wird erwartet, dass die Stammzellbiologie für die eine entscheidende Wende in der
regenerativen Therapie sorgen wird. Im Labor können bereits aus einer Vielzahl
verschiedener Stamm- oder Progenitorzellen Zellen gewonnen werden, die viele
Charakteristika dopaminerger Neuronen zeigen. Zunächst müssen wir verschiedene
Stammzellen unterscheiden:
1. Embryonale Stammzellen (ES-Zellen) Diese werden aus der Blastozyste zum
Zeitpunkt des 8-16-Zell-Stadiums gewonnen. Das Proliferationspotential dieser Zellen
ist unter Zugabe spezifischer Faktoren nahezu unbegrenzt. ES-Zellen sind
(wahrscheinlich) totipotent und können dementsprechend nicht nur in jeden Zelltyp
des jeweiligen Organismus ausdifferenziert, sondern auch in funktionsfähige
Organismen (Individuen) überführt werden. In der Mausgenetik werden diese Zellen
benutzt, um Knock-out- oder Knock-in-Mäuse zu generieren. Neben dem
unbegrenzten Teilungspotential haben ES-Zellen den Vorteil, dass sie sehr stabil sind
und gut reproduzierbar ausdifferenziert werden können. Die therapeutische Nutzung
der ES-Zellen ist allerdings wegen ethischer und biologischer Probleme zumindest in
den kommenden Jahren wenig wahrscheinlich. ES-Zellen könnten missbraucht
werden, um genetisch modifizierte Lebewesen zu erstellen („reproduktives Klonen“).
Daher muss die Forschung mit diesen Zellen strengen Auflagen unterliegen.
Andererseits haben diese Zellen ein hohes Potential zur Entartung und nach
Transplantation in Ratten wurden häufig Teratokarzinome beobachtet (Bjorklund et
al. 2002). Im Tiermodell konnte mit ES-Zellen mehrfach ein Dopaminmangel
erfolgreich behandelt werden.
2. Adulte/fetale Stammzellen (Vorläufer- oder Progenitorzellen). Dies sind Organbzw. Gewebe-spezifische Vorläuferzellen, die sowohl aus dem embryonalen/fetalen
als auch aus adulten Geweben gewonnen werden können. Leider ist nicht nur das
Proliferationspotential dieser Zellen begrenzt, sondern auch das Überleben solcher
Zellen im Labor scheint begrenzt zu sein (Milosevic et al. 2004). Dennoch ist es
möglich, eine Expansion dieser Stammzellen über viele Monate durchzuführen.
Neurale Stammzellen differenzieren dabei ausschließlich in Neuronen oder Glia. Ein
Missbrauch ist daher nicht möglich. Das Wachstum (Proliferation) ist wie bei den ESZellen von der Zugabe externer Faktoren, insbesondere Mitogenen, abhängig. Zellen
aus fetalem Gewebe sind sehr viel potenter als Zellen aus dem adulten Gehirn. In
Letzterem finden sich Stammzellen nur noch in den neurogenen Zonen und können
wahrscheinlich nur in wenige Zelltypen ausdifferenzieren. Im Gegensatz dazu können
die Stammzellen aus praktisch allen Teilen des fetalen Gehirns gewonnen werden.
Diese Zellen können je nach Ursprung mit hoher Wahrscheinlichkeit auch in alle
Nervenzellen der jeweiligen Region differenzieren. Diese Zellen sind ebenfalls schon
erfolgreich im Tiermodell der Parkinson-Erkrankung eingesetzt worden, allerdings
scheinen diese Ergebnisse variabler zu sein als bei der Verwendung von ES-Zellen.
Wegen der guten Sicherheit und geringen ethischen Bedenken, ist der klinische
Einsatz dieser Zellen eher denkbar.
3. Induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen). In den vergangen Monaten
haben die iPS-Zellen erhebliche Aufmerksamkeit in der Fach- aber auch der
Boulevardpresse erhalten. Shinya Yamanaka gelang es als erstmals 4 Gene zu
identifizieren, die adulte somatische Zellen (Haut- oder Leberzellen) in „quasi-ESZellen“ transformieren können (Aoi et al. 2008, Yamanaka 2008, Takahashi &
Yamanaka 2006). Allerdings muss erwähnt werden, dass diese Gene auch
Eigenschaften von Onkogenen besitzen und somit die generierten iPS-Zellen
ebenfalls ein hohes Entartungspotential aufweisen. Dennoch bieten die iPS-Zellen
enorme
Möglichkeiten.
Sollte
das
Entartungspotential
durch
eine
partielle
„Reprogrammierung“ gebannt werden, könnten für jeden Patienten individuelle
Ersatzorgane generiert werden. Schon heute können aber von allen Patienten solche
Zelllinien angelegt werden, und somit die Entstehung von bisher unerklärten
Erkrankungen (wie auch dem Morbus Parkinson) in der Zellkultur („Reagenzglas“)
simuliert werden. Dies sollte helfen, viele neue Krankheitsmechanismen zu erkennen.
4. Adulte mesenchymale Stammzellen. Stammzellen aus dem adulten Knochenmark
bieten ebenfalls die Möglichkeit der autologen Transplantation. Dies bedeutet, dass
diese Zellen einem Patienten selbst entnommen, und retransplantiert werden können,
ohne dass Immunreaktionen zu befürchten sind. Sollte es also gelingen, aus diesen
Zellen funktionale dopaminerge Neuronen zu generieren, hätten diese Zellen ein
enormes therapeutisches Potential. Bereits im Jahre 2000 wurden erste Ergebnisse
berichtet, die eine Transdifferenzierung solcher aus dem Knochenmark gewonnenen
Zellen in Gehirnzellen zumindest in Mäusen berichtet (Brazelton et al. 2000).
Grundsätzlich sind im Knochenmark zwei verschiedene Stammzellpopulationen
vorhanden: Die hämatopoetischen Stammzellen und die mesenchymalen Stammzellen.
Während die hämatopoetischen Stammzellen für die Blutbildung notwendig sind,
können die mesenchymalen Stammzellen z. B. in Knorpel, Fettgewebe, Muskel oder
Gefäße ausdifferenzieren. Beiden Stammzellpopulationen wurde aber in diesen frühen
Arbeiten die Kapazität zugeschrieben, in Zellen des Gehirns (Neuronen, Glia)
transdifferenzieren zu können. Wir selbst haben in einer frühen Arbeit solche
Phänomene in der Zellkultur beschrieben (Hermann et al. 2004).
Ob ein vergleichbares Potential auch im lebenden Tier nachgewiesen werden kann, ist
sehr
umstritten.
Neuere
Arbeiten
legen
nahe,
dass
die
Möglichkeiten
der
Transdifferenzierung sehr begrenzt sind. Hämatopoetische Stammzellen scheinen
praktisch kein Potential zu besitzen, in Neuronen oder Glia zu differenzieren (Roybon
et al. 2006). Mesenchymale Stammzellen scheinen andererseits bereits spontan einige
neuronale Marker zu exprimieren (Deng et al. 2006). Aber auch bei diesen Zellen ist
die Möglichkeit in Neuronen zu transdifferenzieren sehr begrenzt. Der Nachweis eines
funktionalen Neuronen mit Generierung von Aktionspotentialen ist kürzlich mit dem von
uns entwickelten Protokoll gelungen (Hermann et al. 2004, Fu et al. 2008, Hermann et
al. 2006). Eine Differenzierung in neuronale Subtypen wie die dopaminergen Neuronen
ist bisher nicht gelungen. In einer jüngsten Studie zur Knochenmarktransplantation
konnte in einem Parkinson-Tiermodell ebenfalls keine in dopaminerge Neuronen
transdifferenzierten Knochenmarkstammzellen beobachtet werden (Keshet et al. 2007).
Insgesamt muss also die erfolgreiche Transdifferenzierung angezweifelt werden.
Darüberhinaus stellt sich die Frage, ob solche Zellen im Gehirn auch zu anderen Zellen
als Neuronen oder Glia ausdifferenzieren können. Hier fehlen entsprechende Daten.
Zellen aus dem Knochenmark werden aber auch in vielen verschiedenen Tiermodellen
und bei Patienten mit Myokardischämie untersucht. Nach lokaler Applikation von
Knochenmarkzellen in die Herzkranzgefässe konnten diese Zellen erfolgreich im
Herzmuskel wieder gefunden werden. Allerdings differenzierten diese Zellen
entsprechend Ihrer Determination und bildeten Knochenmark statt Herzmuskel (Balsam
et al. 2004, Murry et al. 2004). Eine solche Bildung von Knochenmark im Zielorgen (z.
B. Gehirn) könnte kaum abschätzbare unerwünschte Wirkungen bei Patienten
hervorrufen.
Bezüglich der Transplantation von Knochenmark liegen langjährige Erfahrungen mit
der
autologen
und
allogenen
hämatologisch-onkologischen
Transplantation
Erkrankungen
vor.
vor
allem
bei
Insbesondere
Patienten
bei
mit
allogener
Transplantation mit gegengeschlechtlichen Spendern konnte über die Analyse der
Geschlechtschromosomen das Schicksal der transplantierten Zellen im Gehirn von
verstorbenen Patienten untersucht werden. Sehr wenige dieser Zellen (~0.01 % aller
Neurone) exprimieren neuronale Marker, was aber noch nicht als Nachweis eine
funktionellen Neurons gewertet werden kann (Sostak et al. 2007). Zusätzlich traten
solche Zellen nur in der Nähe von entzündlichen Infiltraten und bei einer Graft-versusHost Reaktion auf. Zudem konnte in dieser Studie die Fusion von Spenderzellen mit
den Neuronen des Patienten nicht ausgeschlossen werden. Auch wenn dieser
Nachweis schwierig sein dürfte, scheint die angesprochene Fusion aber häufiger als
eine Transdifferenzierung vorzukommen. Unabhängig von der Art der Zellen werden
insgesamt nur extrem wenige transplantierte oder fusionierte Zellen im Gehirn
gefunden, so dass eine Wirkung dieser Zellen auf den Krankheitsverlauf oder die
Symptomatik einer neurologischen Erkrankung nach derzeitigem Kenntnisstand sehr
unwahrscheinlich ist.
Indirekte Effekte einer Knochenmarkstransplantation auf dopaminergen Neuronen
konnten in einer jüngeren Arbeit nachgewiesen werden (Keshet et al. 2007). Diese
Effekte werden auf die immunsuppressive Wirkung dieser Therapie zurück geführt
(Details siehe unten).
Neben der Transplantation und dem Ersatz der verlorenen Zellen steht aber auch die
Regeneration der erkrankten Zellen im Zentrum der Forschung. Damit ist eine endogene,
d.h. aus dem adulten Gehirn bzw. dort vorhandener Stamm- oder Vorläuferzellen heraus
entstehende Regeneration der dopaminergen Nervenzellen beim Morbus Parkinson gemeint.
Ausführliche wissenschaftliche Arbeiten der letzten Jahre haben jedoch gezeigt, dass eine
spontane
Regeneration
im
dopaminergen
System
des
erwachsenen
Gehirn
in
Säugetiermodellen des Morbus Parkinson und auch beim Morbus Parkinson selbst nicht
auftritt. Auch eine exogene, z.B. pharmakologische Stimulation einer solchen endogenen
Regeneration erscheint gerade im dopaminergen System aufgrund der derzeitigen
Datenlage nur sehr schwer möglich und ist in den nächsten Jahren bzw. Jahrzehnten in der
klinischen Anwendung mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit nicht zu erwarten.
Es wird jedoch spekuliert, dass systemisch applizierte Stammzellen eher protektive oder
antiinflammatorische Effekte ausüben als eine Restauration zu bewirken. Beim Morbus
Parkinson werden seit langer Zeit immunologische Mechanismen für die Neurodegeneration
der
dopaminergen
Nervenzellen
Stammzellbehandlung
moduliert
diskutiert.
Diese
werden.
Z.B.
könnten
zeigt
durch
eine
eine
solche
allogene
Knochenmarktransplantation nach letaler Bestrahlung des Knochenmarks (vergleichbar einer
Behandlung bei Leukämien) positive Effekte auf dopaminerge Neuronen in einem ParkinsonModell (Keshet et al. 2007). Die Effekte sind nach heutigem Kenntnisstand am ehesten auf
immunsuppressive
Effekte
zurückzuführen.
Trophische
Effekte
der
transplantierten
Stammzellen sind jedoch auch möglich. Eine solche Knochenmarktransplantation zur
Behandlung des Morbus Parkinson ist natürlich derzeit aufgrund der bekannten
Komplikationen obsolet. Diese Studien dienen vielmehr der Konzeptbildung für die
Pathogenese der Erkrankung und möglicher Auswirkungen einer immunsuppressiven
Therapie auf den Krankheitsverlauf.
Zusammenfassung
Die Therapie neurologischer Erkrankungen mit Stammzellen aus dem Knochenmark kann
nach heutigem Wissensstand keine Restauration der geschädigten Zellen im Gehirn
bewirken. Eine Differenzierung in Knochenmarkzellen ist auch bei Einnistung in das Gehirn
denkbar. Indirekte Effekte z. B. durch eine Modulation des Immunsystems werden
angenommen, sind aber nicht ausreichend untersucht und können einen Einsatz von
autologen Stammzellen aus dem Knochenmark bei Patienten mit Morbus Parkinson
außerhalb von kontrollierten klinischen Studien nicht rechtfertigen. Diese Sichtweise wird
auch durch die aktuellen Richtlinien („Guidelines for the Clinical Translation of Stem Cells“)
der Internationalen Gesellschaft für Stammzellforschung („International Society for Stem Cell
Research“; www.isscr.org) gestützt.
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