Stammzellen Einleitung Stammzellen

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Stammzellen
Skript PLUS
Einleitung
In vorherigen Skripten hast du schon vieles über die
embryonale Entwicklung, Erbkrankheiten und
Gendiagnostik erfahren. In diesem Skript fließen alle
diese Themen zusammen. Wir stellen dir Methoden
der künstlichen Befruchtung und Entwicklung von
Embryonen,
Behandlungen
von
bestimmten
Krankheiten
und
besondere
pränatale
Untersuchungsmethoden
vor.
Menschliche
Stammzellen stehen dabei immer Fokus. In diesem
Skript
wird
dir
aber
nicht
nur
die
naturwissenschaftliche Sichtweise näher gebracht.
Im letzten Kapitel gehen wir auch auf ethische
Probleme ein, die im Zusammenhang mit der
Stammzellentherapie und Stammzellenforschung
auftreten.
Abb. 1: Embryonale Stammzellen. Hier zum
Bildnachweis.
Stammzellen
Unter Stammzellen versteht man Zellen, deren späterer Zelltyp noch nicht vorbestimmt ist. Diese
Eigenschaft wird undifferenziert genannt. Allen Stammzellen ist gemeinsam, dass sie unendlich
teillungsfähig sind und unter Zugabe bestimmter Wachstumsfaktoren den gewünschten Zelltyp
annehmen können. Isoliert man totipotente Stammzellen, sind diese noch in der Lage einen
vollständigen Organismus auszubilden. Pluripotente Stammzellen können sich in alle Körperzellen
ausdifferenzieren, aus ihnen kann sich allerdings kein ganzheitlicher Organismus entwickeln.
Multipotente Stammzellen können sich in viele aber nicht alle Zelltypen ausdifferenzieren. Auch aus
ihnen kann sich kein vollständiger Embryo entwickeln. Stammzellen können in unterschiedlichen
Entwicklungsstadien des Organismus entnommen werden. Man unterscheidet:
Embryonale Stammzellen: Embryonale Stammzellen werden aus der Blastozyste, genauer den
Embryoblasten, isoliert. Es handelt sich dabei um pluripotente Stammzellen. Bis zu welchem
Stadium embryonale Stammzellen totipotente Eigenschaften aufweisen, ist bislang nicht
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geklärt.
Fötale Stammzellen: Aus Gehirn-, Leber- oder Netzhautzellen werden bei abgetriebenen Föten
Stammzellen entnommen. Es handelt sich hierbei um multipotente Stammzellen.
Adulte Stammzellen: Auch nach der Geburt hat der Mensch ein Leben lang Stammzellen in
seinem Körper. Sie finden sich in Knochenmark, Gehirn, Haut, dem Nabelschnurblut und
weiteren Körpergeweben. Adulte Stammzellen sind in der Lage, veraltete Zellen zu ersetzen. Da
dies allerdings nur für bestimmte Zelltypen der Fall ist, handelt es sich bei adulten Stammzellen
um multipotente Stammzellen.
Abbildung 1 gibt dir einen zusammenfassenden Überblick über die Stammzellenarten und ihre
Eigenschaften.
Abb. 2: Übersicht zu Stammzellen. Hier zum Bildnachweis.
Stammzellentherapie
Einige Stammzellen können zur Behandlung von verschiedenen Erkrankungen wie Diabetes,
Herzerkrankungen, Leukämie und der Parkinson-Krankheit genutzt werden. Behandlungsmethoden,
bei denen Stammzellen zum Einsatz kommen, werden unter dem Begriff Stammzellentherapie
zusammen gefasst. In diesem Skript wird beispielhaft für eine Behandlungsmethode die
Stammzellentransplantation vorgestellt.
Bei einer Stammzellentransplantation werden Blutstammzellen (= hämatopoetische Stammzellen)
aus dem adulten Knochenmark oder der Nabelschnur bei Neugeborenen entnommen. Die
hämatopoetische Stammzellen des Spenders werden dem Empfänger injiziert. Im Kochenmark des
Patienten regen sie die Bildung von neuen, gesunden Blutzellen an. Die Stammzellenkompatibilität
zwischen Spender und Empfänger hängt dabei nicht von der Blutgruppe, sondern von den
sogenannten HLA-Merkmalen (= humaner Leukozyten-antigen-Merkmale) ab. Die HLA-Gene liegen
auf dem 6. Chromosom und codieren Proteine, welche im Köper die Kompatibilität von
Gewebstypen überprüfen. Sie entscheiden darüber, ob das Gewebe bei einer Transplantation
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abgestoßen wird oder nicht. Im Normalfall gilt: Je enger Personen verwandt sind, desto größer ist die
Wahrscheinlichkeit einen Spender zu finden, der ähnliche HLA-Merkmale aufweist. Je ähnlicher die
HLA-Merkmale sind, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass keine Abstoßungsreaktion
stattfindet und die Stammzellentherapie erfolgreich ist.
Künstliche Befruchtung
Nicht jedem Paar ist es möglich auf natürlichem Wege ein Kind zu zeugen. Grund hierfür können
genetische Veranlagung oder vorhergegangene Krankheiten sein. Über eine künstliche Befruchtung
können sich betroffene Paare dennoch ihren Kinderwunsch erfüllen.
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In-vitro-Fertilisation
Experimente die nicht in einem lebenden Organismus ablaufen, sondern im „Reagenzglas“, finden in
vitro statt. Bei der In-vitro-Fertilisation (IVF) werden Eizellen und Spermien zur Befruchtung außerhalb
des weiblichen Körpers zusammengeführt, wobei die Spermien eigenständig in die Eizellen
eindringen. Zur Gewinnung und Entwicklung der Embryonen gibt es mehrere Möglichkeiten:
Beide Partner sind unfruchtbar: Spermien und Eizellen von freiwilligen Samenspendern und
Einzellenspenderinnen werden zusammengeführt. Die Embryonen werden in die Gebärmutter
einer Leihmutter eingesetzt. Eine Leihmutter trägt ein Kind für ein unfruchtbares Paar mit
Kinderwunsch aus. In Deutschland ist die Leihmutterschaft sowie eine Eizellenspende
verboten. Diese Verbote sind über das Embryonenschutzgesetz (ESchG) verankert. In anderen
EU-Staaten wie Großbritannien und den Niederlande ist eine Leihmutterschaft rechtlich legal.
Samenspenden sind in Deutschland zulässig.
Der männliche Partner ist unfruchtbar: In diesem Fall können Eizellen der Frau des Paares mit
Spermien eines Samenspenders befruchtet werden. Nach erfolgreicher Befruchtung werden
der Frau des Paares die Embryonen in die Gebärmutter eingesetzt. Da sie selbst das Kind
austrägt und es gebärt, ist sie rechtliche Mutter des Kindes.
Die Eileiter der Frau sind verschlossen: Nach der Befruchtung einer Eizelle wandert die Zygote
über die Eizelle in Richtung Gebärmutter, um sich dort einzunisten. Sind die Eileiter
verschlossen, kann sich der Embryo nicht einnisten, eine Schwangerschaft ist ausgeschlossen.
Ursache eines Eileiterverschlusses sind häufig Infektionen z.B. mit Chlamydien. Entscheidet
sich ein Paar für eine IVF, werden der Frau Eizellen entnommen und diese im Labor mit den
Spermien ihres Partners befruchtet. Besteht nur ein Eileiterverschluss, kann die befruchtete
Eizelle später in ihre Gebärmutter eingesetzt werden. Sie kann das Kind eigenständig
austragen.
Die Embryonen werden im Normalfall im Vierzell- oder Blastozystenstadium in die Gebärmutter
übertragen. Bei der künstlichen Befruchtung können in Deutschland bis zu drei Eizellen mit den
Spermien zusammengebracht werden. Daher können sich mehrerer Embryonen entwickeln. Bei der
Embryonenübertragung kann der Arzt bis zu drei Embryonen in die Gebärmutter einsetzen, um die
Erfolgsquote der Einnistung der Embryonen zu erhöhen. Eine Übertragung von mehr als drei
Embryonen ist nicht zulässig, da das Risiko einer Mehrlingsschwangerschaft steigt.
In anderen Ländern können dürfen mehr als drei Eizellen bei einer künstlichen Befruchtung
befruchtet werden. Die überzähligen Embryonen können dann für die Forschung an embryonalen
Stammzellen verwendet werden.
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Intrazytoplasmatische Spermieninjektion
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Die intrazytoplasmatische Spermieninjektion (=
ICSI) findet, ähnlich der IVF, in vitro statt. Dabei
werden Spermien direkt in die Eizelle injiziert (Abb.
3), damit ist ein Befruchtungserfolg gewährleistet.
Die direkte Injektion der Spermien kann notwendig
sein, wenn die Spermien des Mannes eine
verminderte Beweglichkeit aufweisen, die IVF
fehlschlägt oder die Anzahl der Spermien im
Sperma sehr gering ist.
Abb. 3: Injektion eines Spermiums in eine Eizelle.
Hier zum Bildnachweis.
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Präimplantationsdiagnostik
Die Präimplantationsdiagnostik (= PID)
ist ein Verfahren, bei dem in vitro
erzeugte
Embryonen
genetisch
untersucht werden, bevor sie in die
Gebärmutter eingesetzt werden.
In Deutschland ist eine solche
Untersuchung nur an pluripotenten
Stammzellen zulässig. Die PID wird
angewendet zur ...
a. ... Diagnostik von schweren, erblich
bedingten Krankheiten.
≠
ACHTUNG Verwechslungsgefahr:
Präimplantationsdiagnostik Pränataldiagnostik!
Unter dem Begriff Pränataldiagnostik
werden alle Untersuchungen zusammengefasst,
die vor der Geburt des Kindes an der Schwangeren
oder dem ungeborenen Kind durchgeführt werden.
Dazu zählen u.a. Fruchtwasseruntersuchungen,
Nabelschnurpunktionen und
Ultraschalluntersuchungen.
b. ... Vermeidung von Fehlgeburten.
c. ... Auswahl von „Retterbabys“. Benötigt ein Kind eine Stammzellenspende aufgrund einer
Immunkrankheit, können über die PID diejenigen Embryonen ausfindig gemacht werden, welche dem
erkrankten Kind genetisch am ähnlichsten sind. Ein geeigneter Embryo wird in die Gebärmutter der
Mutter eingesetzt und kann später als Stammzellenspender für sein Geschwisterkind dienen. Je
enger verwandt und genetisch ähnlich Spender und Empfänger sind, desto eher sind gute
Erfolgschancen bei der Stammzellentherapie gewährleistet. Die PID für diesen Anwendungsbereich
ist in Deutschland verboten.
Klonen
Das Wort „Klon“ hast du sicherlich schon gehört. Aber was ist eigentlich ein Klon?
Klone sind genetisch identische Lebewesen. Bei der Bedeutung des Wortes „Klon“solltest du
trotzdem immer den Kontext beachten, in dem das Wort verwendet wird, denn in verschiedenen
Teilbereichen der Biologie ist es mit unterschiedlichen Definitionen hinterlegt.
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Natürliche Klone
Zoologen und Botaniker verstehen unter einem Klon den genetisch identischen Nachkommen eines
Organismus. Das Klonen ist dabei Teil der ungeschlechtlichen Vermehrung von Einzellern und
Pflanzen. In der Landwirtschaft wird sich das natürliche Klonen zu Nutze gemacht. Kartoffelpflanzen
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vermehren sich bspw. vegetativ über die essbare Kartoffelknolle. Streng genommen zählen auch
eineiige Zwillinge zu den natürlichen Klonen (Abb. 4). Eineiige Zwillinge entstehen durch die Teilung
einer einfach befruchteten Eizelle und tragen
damit das gleiche Erbgut.
Abb. 4: Eineiige Zwillinge. Hier zum Bildnachweis.
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Künstliche Klone
Als Klone werden in der Reproduktionsbiologie
genetisch identische Organismen verstanden,
welche künstlich (in vitro) entstanden sind. Das
bekannteste geklonte Tier ist das Schaf Dolly.
Abbildung 6 zeigt schematisch den Klonvorgang,
durch welchen Dolly entstanden ist:
Für den Klonvorgang wurden insgesamt drei
verschiedene Schafe benötigt. Schaf 1 (Bild a)
spendete ausdifferenzierte Euterzellen, aus welchen
der Zellkern entnommen wurden. Schaf 2 diente als
Eizellenspender (Bild b). Aus den Eizellen dieses
Abb. 5: Das Schaf Dolly.
Schafes wurden die Zellkernen entfernt und die
Zellkerne aus den Euterzellen von Schaf 1
eingesetzt. Dieser Vorgang wird als Zellkerntransfusion bezeichnet. Durch einen Elektroschock
wurden die Zellkerne reprogrammiert. Sie verloren dadurch die Funktion, die sie in den Euterzellen
hatten. Aus den Zellen entwickelten sich diploiden, totipotente Stammzellen, aus denen ein
Organismus entstehen konnte. Durch Zugaben von Wachstumsfaktoren wurde die entstandene Zelle
zur Teilung angeregt. Im Blastozystenstadium kam es zum Embryonentransfer. Dabei wurde einer
der Embryonen in die Gebärmutter von Schaf 3 (Bild c) eingesetzt. Schaf 3 diente als Leihmutter und
trug den Fötus aus. Nach einer für Schafe üblichen Tragezeit von ca. fünf Monaten, wurde das Schaf
Dolly geboren. Es hatte die gleiche genetische Identität wie Schaf 1, das den Zellkern spendete, da
der Zellkern die genetische Information (= DNA) trägt. Die mitochondiale DNA war Schaf 2 identisch,
das die Eizellen spendete.
Dolly war das erste geklonte Säugetier und lebte von 1996 - 2003. Neben Dolly gab es bis dato noch
weitere geklonte Tiere z.B. Kaulquappen (erste geklonte Kaulquappe im Jahr 1958), Ratten (Name:
Ralph, Geburtsjahr: 2002; erste geklonte Ratte), Wasserbüffel (Bubalus arnee) (Name: Samrupa,
Geburtsjahr: 2005; starb nach einer Woche) und Pyrenäensteinbock ( Capra pyrenaica pyrenaica).
Die Art Capra pyrenaica pyrenaica starb 2000 aus. Im Jahre 2009 gelang es auf Grundlage einer
Gewebeprobe eine Unterart zu klonen. Nach sieben Minuten verstarb der Klon.
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Neben der Zellkernfusion gibt es ein weiteres Verfahren zum klonen von Individuen. Ein solches ist
das Embryonensplitting. Künstlich wird dabei ein Embryo geteilt, sodass zwei bis vier genetisch
identische Embryonen entstehen.
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Abb. 6: Prozess des Klonens bei Dolly. Hier zu den Bildnachweisen.
Therapeutisches Klonen
Mit Hilfe des therapeutischen Klonens ist es möglich, spezifische Gewebstypen eines Menschen zu
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klonen. Ziel ist es, bei bestimmten Krankheiten körpereigene, gesunde Zellen des Patienten zu
Therapiezwecken nachzuzüchten. Handelt es sich bei Spender und Empfänger um ein und die selbe
Person wird von einer autogenen Transplantation gesprochen. Die Gefahr der Abstoßung ist bei
solchen Transplantationen deutlich geringer, als bei fremden Spendern. Das therapeutische Klonen
läuft dabei nach dem Prinzip des in Abbildung 5 dargestellten Schemas ab. Der entwickelte Embryo
wird jedoch später nicht von einer Leihmutter ausgetragen wird. Die Blastozyste wird zerstört, um
einzelnen Stammzellen zu entnehmen. In vitro werden diese Zellen unter Zugabe bestimmter
Wachstumsfaktoren kultiviert, um den gewünschten Zelltyp zu erhalten.
Ethische Aspekte
Artikel I der deutschen Grundrechte gibt vor:
(1) Die Würde des Menschen ist unantastbar. Sie zu
achten und zu schützen ist Verpflichtung aller
staatlichen Gewalt.
Ethik:
Die Ethik bietet Antwortmöglichkeiten
auf die moralische Frage „Was soll
ich tun?“
Damit wird jedem menschlichen Individuum mit dem
Beginn seines Lebens der gleiche Wert zugetragen.
Doch die Frage ist: Wann beginnt das menschliche Leben?
Genau diese Frage steht ist in der Stammzellenforschung immer wieder im Mittelpunkt. Denn die
Stammzellenforschung, vor allem die Forschung an embryonalen Stammzellen, ist und bleibt stark
umstritten. Naturwissenschaftliche und ethische Aspekte treffen dabei immer wieder aufeinander.
Eine klare Antwort auf diese Frage nach dem Beginn des menschlichen Lebens gibt es bis heute
nicht und bietet bis heute viel Platz für Diskussion. Es gibt verschiedene Auffassungen, nachfolgend
findest du einige Beispiele:
Das menschliche Leben beginnt...
... mit der Verschmelzung von Ei- und Samenzelle.
... mit der Einnistung der Blastozyste in die Gebärmutter.
... mit der Geburt des Menschen.
Um Embryonen und damit Menschenleben und -würde zu schützen, wurde in Deutschland das
Embryonenschutzgesetz (EschG) erlassen. Es regelt die Anwendung von künstlicher Befruchtung.
Sie ist ausschließlich zu medizinischen, nicht aber zu Forschungszwecken, gestattet. Die Forschung
an embryonalen Stammzellen, Klonen, Leihmutterschaft und weiteres wurde mit dem Erlass des
Gesetzes verboten. Im Stammzellengesetzt (StZG) ist der Import von embryonalen Stammzellen aus
dem Ausland und deren Verwendung geregelt. Im Gesetzt ist verankert, dass ausschließlich
embryonale Stammzellen von Embryonen zu Forschungszwecken verwendet werden dürfen, die bei
einer IVF überzählig sind. Dabei ist ein bestimmter Stichtag zu beachten. Die Forschung an
embryonalen Stammzellen wird in Deutschland stark überwacht und bedarf immer einer
Sondergenehmigung. Letztlich hat jedes Land aufgrund unterschiedlicher ethischer Auslegungen
seine eigenen gesetzlichen Regelungen hinsichtlich der Forschung an embryonalen Stammzellen.
Bildnachweise [nach oben]
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Bearbeitung durch SchulLV: dieses Werk ist lizenziert unter CC BY-SA.
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[6a] http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Geschecktes_milchschaf.jpg –
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[6b] © Evelyn Simak, CC BY-SA; Bearbeitung durch SchulLV: dieses Werk ist lizenziert unter CC BY-SA.
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[6d] http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Lamm2.jpg – Papanugue, CC BY-SA; Bearbeitung durch SchulLV: dieses
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