Mehr werden durch Teilen: Blutstammzell

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AK TUELL
Träger des Otto Naegeli-Preises 2016
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Mehr werden durch Teilen:
Blutstammzell-Homöostase und
Notfall-Granulopoiese
Markus G. Manz
Klinik für Hämatologie, Hämato-Onkologisches Zentrum, UniversitäsSpital Zürich
Komplexe Lebewesen bestehen aus hochspezialisierten, sich ergänzenden und miteinander kommunizierenden Organsystemen, die ihre Funktion jeweils bedarfsgesteuert und komplementär wahrnehmen. Die
Otto Naegeli-Preis
für die medizinische Forschung
Der «Otto Naegeli-Preis für die medizinische Forschung» wurde 1960 zum Andenken an den 1938
verstorbenen grossen Wissenschaftler und Lehrer für Innere Medizin an der Universität Zürich,
Professor Otto Naegeli, geschaffen. Der Preis gilt
einzelnen Organsysteme bestehen aus Stromazellen,
d.h. Struktur- und Gefässzellen, sowie aus Parenchymzellen, d.h. organspezifischen Gewebezellen, die jeweils
Zellteilung erneuert werden müssen. Während in einigen Organen (z.B. der Leber) reife Parenchymzellen diesen Erneuerungsprozess unterhalten können, wird in
anderen Organen, insbesondere in Organen mit hohem
und Blut, dieser durch somatische Stammzellen unter
dann wieder ins Fliessgleichgewicht zurückzukehren.
als auch organspezifisch mit hohem proliferativem
Dies bedarf der Regulation und Steuerung in engen
Potential in alle reifen Parenchymzellen differenzieren
Grenzen, da ein «zu wenig» schnell zu einem Mangel,
können.
im ungünstigsten Fall zur hämatopoietischen Aplasie,
Das hämatopoietische System ist das bisher wohl am
und ein «zu viel» schnell zum Überfluss, im ungünstigs-
besten charakterisierte, von somatischen Stammzellen,
ten Fall zu einer Leukämie, führen kann – Zustände,
den hämatopoietischen Stammzellen (HSC), unterhal-
denen wir im klinischen Alltag bei Patienten begegnen
tene Organsystem. Beim erwachsenen Säugetier und
und die mittelfristig nicht mit dem Überleben verein-
auch beim Menschen sind die HSC im Knochenmark,
bar sind. Wie auch bei Erkrankungen anderer Organ-
dem Ort der Bildung von Erythrozyten (Lebenszeit
systeme, finden sich sowohl Dysregulationen als auch
ca. 120 Tage), Thrombozyten (Lebenszeit ca. 8 Tage) und
Neoplasien der frühen Blutbildung insbesondere beim
Leukozyten (Lebenszeit von Granulozyten ca. 8 Tage),
älteren Menschen. Hierbei spielen sowohl extrinsische,
angesiedelt. Das Knochenmark ist eines der grössten
d.h. ausserhalb der Blutbildung veränderte (Umwelt-)
Organe des Menschen, es beträgt 4–5% des Körperge-
Faktoren als auch intrinsische, d.h. in den HSC oder
wichtes, d.h. bei einer 70 kg schweren Person etwa 3 kg,
hämatopoietischen Vorläuferzellen mit der Alterung
und umfasst ein etwa ebenso grosses Volumen in
akkumulierende Faktoren wie Ansammlung von gene-
Litern. Im Fiessgleichgewicht beträgt die Blutzellpro-
tischen Ereignissen und epigenetischen Veränderungen
duktion 3–4 × 1011 Zellen pro Tag, und es wird geschätzt,
eine Rolle.
dass etwa 90% aller Zellen im Körper vom Knochen-
In diesem kurzen Artikel fokussiere ich auf Fragestel-
mark abstammen oder dort angesiedelt sind (wobei
lungen zur Blutstammzellbiologie und Regulation der
ein Erythrozyt oder Thrombozyt erheblich weniger
Blutbildung, denen mein Labor in den letzten Jahren
Volumen als z.B. eine Muskelzelle besitzt). Die homöo-
nachgegangen ist und zu welchen wir (und auch andere,
statische Blutproduktion wird im Bedarfsfall, zum
hier aufgrund des Fokus nicht erwähnte, aber in den
Beispiel nach Blutverlust oder bei schwerer Infektion,
zitierten Reviews genannte Wissenschaftler) relevante
zusätzlich temporär erheblich gesteigert, um nach
Erkenntnisse beitragen konnten.
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Kompensation eines erhöhten zellulären Verbrauchs
Zellen, die sich durch Teilung sowohl selbst erneuern
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halten, das heisst durch im Organ quantitativ wenige
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Markus G. Manz
summe beträgt zurzeit CHF 200 000. Mit dem Preis sollen auch
jüngere Forschende zu weiteren Leistungen angeregt werden.
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zellulärem Umsatz wie zum Beispiel Haut, Darm
als einer der bedeutendsten wissenschaftlichen
Preise der Schweiz; er geniesst hohe internationale Anerkennung.
Der «Otto Naegeli-Preis» bezweckt die Förderung der medizinischen bzw. biomedizinischen Forschung und wird in der Regel
alle zwei Jahre an Forschende in der Schweiz verliehen. Die Preis
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und während des gesamten Lebens entsprechend durch
definierte Überlebenszeiten von Tagen bis Jahren haben
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ktuell
A
Homöostase der Blutstammzellen
ein schönes Beispiel dafür, wie durch Teilen mehr werden kann.
che Faktoren zu HSC-Teilung oder HSC-Ruhezustand
para-aortalen Region und dann in der Leber angelegt,
führen, wie HSC-Homöostase reguliert wird, wie viele
um von dort ins Knochenmark zu translozieren. Post-
HSC zu jeder Zeit aktiv am Blutbildungsprozess beteiligt
natal expandieren HSC im Knochenmark, ihrer fortan
sind, welcher Teilungsdynamik die Gesamt-HSC-Popu-
natürlichen Umgebung, bis zum Wachstumsstopp und
lation im Fliessgleichgewicht und unter hämatopoie
werden anschliessend homöostatisch in ihrer Zahl
tischen Stress-Situationen folgt, ob die Proliferations-
über das Leben in etwa konstant gehalten. In der adul-
historie einer HSC prädiktiv für ihr zukünftiges
ten ca. 25 g schweren Maus finden sich ca. 15 000 HSC
HSC-Verhalten ist und wie die proliferative Alterung
(linear extrapoliert beim Menschen ca. 40 × 106), d.h.
von HSC Blut-Neoplasie-Entstehung begünstigen kann
ca. 0,01% der kernhaltigen Knochenmarkzellen, die
[2]. Durch komplexe In-vivo-Versuche in der Maus
sich per Definition sowohl selbst erneuern als auch
konnten wir und andere Forschergruppen zeigen, dass
über zunehmend Blutlinien-spezifizierte hochprolife-
zu jeder gegebenen Zeit ein Grossteil der HSC (>80%)
rative Progenitor- oder Vorläuferzellen in alle Zellen
im zellulären Ruhezustand sind (G0) und damit nicht
des Blutes entwickeln können (Abb. 1) [1].
aktiv zur Blutbildung beitragen. Bei einem Teil der HSC
Ein Beweis für die enorme HSC-Aktivität und deren
beträgt dieser Ruhezustand im Fliessgleichgewicht der
hohes Regenerationspotential stellt die seit nun über
Blutbildung mehr als 20 Wochen, d.h. ca. einen Fünftel
50 Jahren klinisch praktizierte, allogene Blutstamm-
der Lebenszeit einer Maus, während andere HSC sich
zelltransplantation dar, bei der ein kleiner Bruchteil
häufiger teilen. Bei Analyse der Daten in mathema
der Spender-HSC im Empfänger homöostatisch expan-
tischen Modellen fand sich eine durchschnittliche Tei-
dieren und die gesamte Hämatopoiese ersetzen kann –
lungshäufigkeit von ca. 39 Tagen. Wir konnten keinen
Sustained
Bone Marrow
HSPC
Progenitor
“Niche”
•
Self-renewal
•
Proliferation and HPC
generation
HPCs
Rapid
•
Proliferation
•
Lineage-demand
adapted differentiation
Peripheral Organ
Effector Cells
Immediate
RBCs
Monocytes
s
Platelets
Macrophages
Dendritic
cells
Granulocytes
B cells
T cells
NK cells
•
Terminal maturation
•
Oxidative burst
•
Phagocytosis
NKT cells •
Adaptive immunity
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Abbildung 1: Modell der Hämatopoiese.
Hämatopoietische Stammzellen (HSC) im Knochenmark haben lebenslanges Selbsterneuerungs- und Differenzierungspotential. Sie generieren intermediäre, zunehmend blutlinienspezifische Progenitorzellen (HPC) mit hohem proliferativem Potential,
die dann reife Blut-Effektorzellen produzieren. Blutstammzellen und Blutprogenitorzellen mit zunehmendem blutlinienspezi
fiziertem Potential konnten in den letzten 20 Jahren identifiziert werden.
Abkürzungen: HSPC = hematopoietic stem / progenitor cell; MPP = multipotent progenitor; LMPP = lympho-myeloid progenitor;
CMP = common myeloid progenitor; MEP = megakaryocyte erythrocyte progenitor; GMP = granulocyte macrophage progenitor;
CLP = common lymphoid progenitor; CDP = common dendritic cell progenitor; ProB = pro-B cell; ProT = pro-T cell.
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Functional
Maturity
Loss of developmental options
Proliferative
Capacity
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HSCs
HSC
“Niche”
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In unserer Forschung gehen wir den Fragen nach, wel-
das definitive hämatopoietische System zuerst in der
Während der Embryonal- und Fetalentwicklung wird
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Anhaltspunkt dafür finden, dass es entsprechend der
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A
Teilungsrate unterschiedliche HSC-Subpopulationen
gibt. Interessanterweise konnten wir auch zeigen, dass
sich schnell teilende HSC wieder in ihrer Teilungsfrequenz verlangsamen können und dass häufig geteilte
HSC einen grösseren Drang zum Ruhezustand zeigen
als HSC, die sich seltener geteilt haben. Ferner konnten
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wir feststellen, dass Inflammation, ausgelöst durch
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(%#'
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Lipopolysaccharide (LPS), einen typischen Bestandteil
gramnegativer Bakterien, ruhende HSC in den Teilungszustand befördern und diese nach Abklingen der Inflammation wieder in den Ruhezustand zurückkehren
(%#'
können [3]. Dies fügt sich zu einem Bild zusammen, bei
dem zu jeder gegebenen Zeit im Fliessgleichgewicht
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nur ein kleiner Teil der HSC zur Blutbildung beiträgt
und ein grösserer Teil inaktiv ist, der jedoch bei Bedarf
für mehr Blutbildung zügig aktiviert werden kann.
Das scheint evolutionär Sinn zu machen: Der Wechsel
zwischen Teilungsaktivität und Ruhezustand garan-
a Local bacterial infection
tiert wahrscheinlich, dass im Fliessgleichgewicht immer ein Teil der HSC möglichen metabolisch-toxischen
Substanzen entzogen und damit geschützt ist und
gleichzeitig das gesamte HSC-Kompartiment über die
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Abbildung 2: Modell zur HSC-Teilung.
Hämatopoietische Stammzellen (HSC) im Knochenmark
fluktuieren vom Ruhezustand ohne Beitrag zur Blutbildung
in den Teilungszustand mit Beitrag zur Blutbildung und
wieder zurück. Dabei ist am Ende des Lebens die individuelle
HSC-Teilungsfrequenz in der Gesamtpopulation ähnlich.
In Situationen des akuten Mehrbedarfs von Blutzellen werden
ruhende HSC aktiviert, die zur Blutbildung beitragen, um anschliessend wieder in einen dynamischen Repetitionsmodus
zwischen Ruhe und Aktivierung zu gehen.
Abbildung adaptiert aus Takizawa H, et al. J Exp Med. 2011;
208(2):273–84.
Lebenszeit gleichmässig genutzt wird, d.h. die Gefahr
teilungsbedingter Schäden durch Hyperproliferation
b Systemic bacterial infection
Macrophage
Bacteria
Tissue
Neutrophil
Blood
Endothelium
Bone
Emergency
granulopoiesis
Bone marrow
Steady-state granulopoiesis
Lymphopoiesis
HSC
Lymphopoiesis
Osteoblast
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Abbildung 3: Granulopoese bei lokaler vs. systemischer bakterieller Infektion.
Bei lokal kontrollierten bakteriellen Infektionen finden sich keine Veränderungen in der Blutzusammensetzung und im
Knochenmark. Bei fehlender lokaler Kontrolle und systemischer Ausbreitung reagiert das System mit massiver Neutrophilie
und verstärkter Granulopoiese im Knochenmark.
Abkürzungen: HSC = hematopoietic stem cell.
Abbildung adaptiert aus Manz MG, Boettcher S. Nat Rev Immunol. 2014;14(5):302–14.
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Während der Schaltkreis der Hypoxie-Wahrnehmung
in der Niere mit nachfolgender Erythropoietin-
Neutrophil
Produktion, die subsequent zur verstärkten Erythro­
Bacteria
poiese führt, gut bekannt ist, war die Steuerung der
Granulopoiese in Notfallsituationen bisher ungeklärt.
Tissue
Wir sind daher der Frage nachgegangen, wie das Signal
nulopoiese umgesetzt wird [4]. In genetisch modifizier
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der disseminierten gramnegativen Infektion in Graten Mausmodellen konnten wir durch die Applikation
von LPS und Infektion mit Escherichia coli zeigen, dass
G-CSF
Endothelzellen den Rezeptor für LPS, d.h. TLR4 (toll-like
receptor 4) und dessen nachgeschaltete Adaptormole
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Blood vessel
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TLR4
küle wie MyD88 (myeloid differentiation 88), exprimieren und bei Stimulation massiv Granulozyten-Wachstumsfaktor (G-CSF) produzieren (Abb. 4). Dies stand im
Gegensatz zur Erwartung, dass Zellen des histiozytä-
Endothelial
cells
ren Systems die Hauptquelle für dieses Zytokin sind.
G-CSFR
G-CSF
G-CSF
Wir konnten hingegen zeigen, dass Endothelzellen bei
disseminierter Infektion die wesentliche, nicht redun-
G-CSF
dante Quelle von G-CSF sind und dass eine Unterbrechung der Signaltransduktion in Endothelzellen einen
HSC
Überlebensnachteil mit sich bringt. G-CSF wiederum
induziert über Signaltransduktion ins Knochenmark
Emergency
Granulopoiesis
Bone
marrow
dort die Notfall-Granulopoiese in hämatopoietischen
G-CSFR
Progenitorzellen [5]. Diese Beobachtung deckt eine
hochspezialisierte Interaktion des vaskulären und des
hämato-immunologischen Systems auf. In der Tat
sind vaskuläre Endothelzellen ideal positioniert, um
Osteoblasts
Bone
die Schwelle zwischen lokaler und systemischer Infektion zu kontrollieren, und es scheint plausibel, dass
sich eine derartige Abwehrstrategie evolutionär herausgebildet hat.
Schlussfolgerungen und Ausblick
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Abbildung 4: Modell zum Schaltkreis der Notfall-Granulopoiese.
Endothelzellen wirken als «Rauchmelder» systemisch disseminierter, bakterieller
Infektionen und produzieren hämatopoietische Wachstumsfaktoren wie G-CSF,
die subsequent die notwendige Abwehrreaktion der Notfall-Granulopoiese zur Infektionskontrolle einleiten. Abkürzungen: TLR4 = toll-like receptor 4; G-CSF = granulocytecolony-stimulating factor; G-CSFR = granulocyte-colony-stimulating factor receptor;
HSC = hematopoietic stem cell.
Abbildung adaptiert aus Boettcher S, et al. Blood. 2014;124(9):1393–403.
Untersuchungen in Modellsystemen zum besseren
Verständnis der Physiologie und Pathophysiologie des
blutbildenden Systems erfahren ihre Rechtfertigung
durch die klinischen Fragestellungen bzw. den gesell-
gleichmässig möglichst niedrig gehalten wird. Im Falle
schaftlichen Auftrag, die Medizin auf dem Boden fun-
einer Notfallsituation (wie einer schweren Sepsis)
dierter Erkenntnisse morgen besser als heute zu machen
muss der langfristige Vorteil der teilweisen Inaktivität
[6]. In diesem Bemühen beschäftigt sich mein Labor,
jedoch der akuten Notwendigkeit der Überlebensreak-
basierend auf den oben genannten Erkenntnissen, der-
tion untergeordnet werden (Abb. 2).
zeit mit der Frage, ob und wie der HSC- und Progenitorzell-Umsatz bei Inflammation und in der Alterung mit
Bedarfsgesteuerte Blutbildung am Beispiel
der Notfall-Granulopoiese
HSC-Funktionsverlust, klonaler Evolution und Neoplasieentstehung verknüpft ist (Abb. 5).
Interessanterweise konnte durch andere Arbeitsgruppen in populationsbasierten Studien tatsächlich gezeigt
sive Neutrophilie und gesteigerte Granulopoiese (Not-
werden, dass eine Assoziation zwischen Inflammation
fall-Granulopoiese) bei lokal unkontrollierten, sich
(Infekte und Autoimmunerkrankungen) und HSC-Neo-
systemisch ausbreitenden Infekten, d.h. der Bakteri
plasien besteht. Ebenso konnte aktuell gezeigt werden,
ämie bzw. Sepsis (Abb. 3).
dass HSC mit der Alterung klonale Ereignisse akku-
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Eine faszinierende klinische Beobachtung ist die mas-
2016;16(18–19):414– 418
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Steady-state: Homeostasis
Mature cells
HSC maturation
Genetic hit
HSC
HSC maintenance
Cell death
HSC death
Mature cells
HSC maturation
Genetic hit
HSC
Genetic hit
HSC maintenance
Hematologic neoplasia
(AML/MDS) development
Cell death
HSC death
Time
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Abbildung 5: Hypothetisches Modell zur inflammationsverstärkten Proliferation und Neoplasieentstehung in der Hämatopoiese.
Hämatopoietische Stammzellen (HSC) weisen im Zustand der Inflammation einen erhöhten Umsatz auf und sind damit wahrscheinlich einer erhöhten Gefahr von genetischen Ereignissen ausgesetzt, die entweder neutral sind, einen Verlust oder einen
Proliferationsvorteil induzieren können. Dabei können inflammatorische Signale möglicherweise eine weitere Verstärkung der
Ausbildung klonaler Evolution bis hin zur klinischen Neoplasie bewirken.
Abkürzungen: HSC = hämatopoietische Stammzelle; AML = akute myeloische Leukämie; MDS = myelodysplastisches Syndrom.
Abbildung adaptiert aus Takizawa H, et al. Blood. 2012;119(13):2991–3002.
mulieren, dass selbsterneuerungsfördernde Ereignisse
und klonale hämatopoietische Dominanz bei rund
Der Autor hat keine finanziellen oder persönlichen Verbindungen
im Zusammenhang mit diesem Beitrag deklariert.
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einem Zehntel der gesunden über Siebzigjährigen prä-
Disclosure statement
scheinlichkeit für die Transformation in klinische
Literatur
1
sent sind, und dass diese wiederum die höchste WahrNeoplasien des Blutes bedingen. Mit diesem Wissen ist
es nun von grosser Bedeutung, Erkenntnisse zu ge-
2
winnen, wie schon die Vorformen der Erkrankungen
auf diesem Niveau gehalten oder gar zurückgedrängt
3
werden können.
Verdankung
­
Leiter Hämato-Onko
­
­
Klinik für Hämatologie
logisches Zentrum
UniversitäsSpital Zürich
Rämistrasse 100
CH-8091 Zürich
Porträt
markus.manz[at]usz.ch
© KEYSTONE | Ennio Leanza
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Direktor
2016;16(18–19):414– 418
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Markus G. Manz
Ich danke der Otto-Naegeli Stiftung für die Preisverleihung 2016 sowie
meinen Studenten, Mitarbeitern und Kooperationspartnern, deren
Wissensdurst und Kompetenz den Erkenntnisgewinn möglich
machen. Ferner danke ich dem Schweizerischen Nationalfonds,
der Krebsliga Schweiz, der Promedica Foundation (Chur), dem National
Institute of Health (USA), der Bill und Melinda Gates Foundation (USA)
und der Universität Zürich für die grosszügige Unterstützung bei der
Durchführung der hier beschriebenen Projekte.
5
Prof. Dr. med.
6
Korrespondenz:
Kondo M, Wagers AJ, Manz MG, Prohaska SS, Scherer DC, Beilhack GF,
et al. Biology of hematopoietic stem cells and progenitors:
implications for clinical application. Annu Rev Immunol. 2003;
21:759–806.
Takizawa H, Boettcher S, Manz MG. Demand-adapted regulation of
early hematopoiesis in infection and inflammation. Blood. 2012;
119(13):2991–3002. doi: 10.1182/blood-2011-12-380113.
Takizawa H, Regoes RR, Boddupalli CS, Bonhoeffer S, Manz MG.
Dynamic variation in cycling of hematopoietic stem cells in steady
state and inflammation. J Exp Med. 2011;208(2):273–84.
doi: 10.1084/jem.20101643.
Manz MG, Boettcher S. Emergency granulopoiesis.
Nat Rev Immunol. 2014;14(5):302–14. doi: 10.1038/nri3660.
Boettcher S, Gerosa RC, Radpour R, Bauer J, Ampenberger F,
Heikenwalder M, et al. Endothelial cells translate pathogen signals
into G-CSF-driven emergency granulopoiesis. Blood. 2014;
124(9):1393–403. doi: 10.1182/blood-2014-04-570762.
Rongvaux A, Takizawa H, Strowig T, Willinger T, Eynon EE, Flavell RA,
Manz MG. Human hemato-lymphoid system mice: current use
and future potential for medicine. Annu Rev Immunol. 2013;
31:635–74. doi: 10.1146/annurev-immunol-032712-095921.