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Die Stammzell-Connection


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In Kalifornien untersuchen Forscher, ob sich Stammzellen gut in das Rückenmarksgewebe eingliedern und vernetzen. Ihr Ziel: die Grundlage für eine durchschlagende Therapie schaffen.

Es hat ein bisschen was von Science-Fiction. Dort, wo vor kurzem noch totes Gewebe war, leuchten jetzt unzählige Nervenzellen auf und schicken ihre Impulse durch das Rückenmark. Selbst der Mann hinter dem 100.000 Dollar teuren Mikroskop kann sich ein Lächeln nicht verkneifen, auch wenn er dieses faszinierende Bild schon häufiger gesehen hat. Steven Ceto ist 28 Jahre alt und macht gerade seinen Doktor an der University of California in San Diego. Sein Arbeitsplatz liegt in einem ebenso modernen wie lichtdurchfluteten Gebäude mitten auf dem Campus. Der Pazifik ist nur ein paar hundert Meter entfernt. Perfekte Rahmenbedingungen für den jungen Wissenschaftler, der morgens vor der Arbeit noch gerne eine Runde surft.

Ursprünglich hat Ceto Biochemie studiert, sich dann aber immer mehr auf Rückenmarksverletzungen spezialisiert. Ihn reizt die Herausforderung, das „große, komplexe Problem“. Und er möchte helfen. Menschen wie Stephen Murray, BMX-Legende, Held seiner Extremsport-Jugend, der vom Hals abwärts gelähmt ist. Oder seinem Kollegen Paul, der seit einem Autounfall im Rollstuhl sitzt. Für sie und die vielen weiteren Betroffenen sucht Ceto, der eigentlich aus der Gegend von Seattle stammt, nach einer Heilung. „Ich möchte nicht nur die Symptome lindern“, betont er, „sondern das Problem an der Wurzel packen. Mark bot mir die Möglichkeit dazu.“

Hoffnungsträger Stammzellen
Mit Mark meint er Professor Mark Tuszynski, seinen Chef und Doktorvater. Der gebürtige Kanadier ist eine Koryphäe, wenn es darum geht, verlorengegangene Nervenfunktionen wiederherzustellen. Dutzende Auszeichnungen hat er bereits erhalten und weit über hundert Publikationen veröffentlicht. Was Ceto besonders an ihm schätzt: dass er sehr praxisorientiert arbeitet und seine Teams mit Hochdruck nach neuen Behandlungsansätzen fahnden lässt. Dazu gehören auch Stammzellen. Welches Potential in ihnen steckt, konnten Tuszynski und seine Mitarbeiter bereits vor ein paar Jahren feststellen. Damals injizierten sie neurale Stammzellen in das Rückenmark einer querschnittsgelähmten Ratte. Von dem Transplantat überlebten nur wenige Zellen, aber die, die es taten, bildeten lange Nervenfasern, auch Axone genannt. Ein erster Erfolg, der die Forscher animierte, weiter zu tüfteln. Sie suchten nach einem Weg, um die gesamte Lücke im Rückenmark aufzufüllen, die nach der Verletzung entstanden war. Schließlich spannten sie mit einem Protein eine Art Netz, das den Stammzellen als Verankerung diente. Ihr Plan ging auf. Diesmal überlebten fast alle Stammzellen, und es bildeten sich zehntausende neue Axone. Eine kleine Sensation!

Prof. Mark Tuszynski ist Stevens Chef und Doktorvater. Er leitet das Center for Neural Repair, in dem nach Behandlungsansätzen für Schädel-Hirn-Traumen, Alzheimer und vor allem Rückenmarksverletzungen geforscht wird. (Alyssa Lavine )
Prof. Mark Tuszynski ist Stevens Chef und Doktorvater. Er leitet das Center for Neural Repair, in dem nach Behandlungsansätzen für Schädel-Hirn-Traumen, Alzheimer und vor allem Rückenmarksverletzungen geforscht wird.  © Alyssa Lavine

Gesucht: die richtige Verbindung
Steven Ceto führt diese Arbeit heute gewissermaßen fort. Auch er forscht mit Stammzellen. Seine Fragestellung ist allerdings weniger, wie viele von den transplantierten Zellen erhalten bleiben und Nervenfasern bilden. Vielmehr möchte er wissen, wie sich das Transplantat funktionell eingliedert. Docken die Zellen richtig an? Vernetzen sie sich untereinander? Und wie kommunizieren sie mit den Nervenzellen im gesunden Gewebe? Normalerweise erfolgt diese Kommunikation über elektrische und chemische Signale. Sobald eine Nervenzelle ein Signal erhält, verarbeitet sie es und gibt es weiter. Dadurch kann der Mensch fühlen, denken und handeln. Der sendende Fortsatz einer Nervenzelle heißt Axon, die empfangenden Fortsätze Dendriten. Und den Bereich, an dem ein Axon an einen Dendriten andockt, nennt man Synapse. Eine einzelne Nervenzelle kann so mit tausenden anderen in Verbindung treten. Ob und inwieweit diese synaptischen Verbindungen auch mit dem Transplantat entstehen, möchte Ceto nun untersuchen. „Noch ist das, was innerhalb des Transplantats passiert, für uns eine Art Black Box“, erklärt er. „Wir möchten in diese Box schauen und untersuchen, wie die Nervensignale weitergeleitet werden.“

Steven Ceto möchte herausfinden, wie sich Stammzellen in das Rückenmarksgewebe eingliedern und sich dort vernetzen. (Alyssa Lavine )
Steven Ceto möchte herausfinden, wie sich Stammzellen in das Rückenmarksgewebe eingliedern und sich dort vernetzen.  © Alyssa Lavine

Kalzium, Strom und Licht
Für seine Experimente benötigt Ceto als Erstes jede Menge Stammzellen. Bis zu einer Million, um genau zu sein, und das für eine Verletzung, die kleiner als ein Millimeter ist. Die Zellen züchtet er in einer Kulturschale, bis sie sich entsprechend geteilt und vermehrt haben. Dann injiziert er sie direkt in die Verletzungsstelle einer gelähmten Ratte. Sechs bis acht Wochen später beginnen die Untersuchungen. Um herauszufinden, ob sich die Zellen sowohl untereinander als auch mit dem gesunden Gewebe verbunden haben, verwendet er verschiedene Techniken.
Eine davon wird Kalzium-Imaging genannt (Imaging = bildliche Darstellung). Diese Methode macht sich zunutze, dass sich die Kalziumkonzentration in der Zelle erhöht, sobald „sie feuert“. Durch die Beigabe eines bestimmten, fluoreszierenden Moleküls kann Ceto diese – an sich unsichtbaren – Signale unter dem Mikroskop sehen. „Das Molekül bindet sich an das Kalzium und bringt es zum Leuchten“, erklärt er.

Beeindruckend: Die Zellen haben die Verletzungsstelle komplett ausgefüllt und feuern Impulse ab. (Alyssa Lavine )
Beeindruckend: Die Zellen haben die Verletzungsstelle komplett ausgefüllt und feuern Impulse ab.  © Alyssa Lavine

Der große Vorteil dieser Methode: Ceto kann die Aktivität von vielen hunderten Nervenzellen gleichzeitig erfassen. Ein weiteres Verfahren ist die sogenannte Patch-Clamp-Technik. Damit untersucht Ceto, ob eine synaptische Verbindung entstanden ist, das heißt, ob Signale von einer Zelle an die andere weitergegeben werden. Mit einer kleinen Glaspipette saugt er zunächst die Membran einer Zelle an und öffnet diese sachte. Anschließend legt er eine Mikroelektrode an. So kann er messen, ob in der Nervenzelle elektrische Aktivitäten stattfinden.

Ceto entnimmt einen Objektträger mit einem eingefärbten Präparat, um dieses später unter dem Mikroskop zu untersuchen. (Alyssa Lavine )
Ceto entnimmt einen Objektträger mit einem eingefärbten Präparat, um dieses später unter dem Mikroskop zu untersuchen.  © Alyssa Lavine

Bis zu 1.000.000 Stammzellen züchtet Ceto, um eine winzige Verletzungsstelle im Rückenmark aufzufüllen. (Alyssa Lavine )
Bis zu 1.000.000 Stammzellen züchtet Ceto, um eine winzige Verletzungsstelle im Rückenmark aufzufüllen.  © Alyssa Lavine

Schließlich nutzt Ceto eine Methode, die eigentlich auch aus der Werkzeugkiste von Hirnforschern stammt: die Optogenetik. Diese erlaubt es ihm, die Aktivität von bestimmten Nervenzellen präzise zu kontrollieren. Durch einen gentechnischen Trick macht er die Zellen zunächst lichtempfindlich. Danach kann er sie steuern und mit Hilfe von Licht dazu bewegen, elektrische Impulse abzufeuern. Mittels Kalzium- Imaging und Patch-Clamp kann er nun nachverfolgen, ob die Impulse über die synaptischen Verbindungen auch an andere Nervenzellen weitergeleitet werden. „Steven ist großartig“, lobt Tuszynski. „Er hat dieses Projekt von Beginn an aufgebaut, was nicht einfach war. Er ist ein sehr versierter Forscher, und ich freue mich, dass er in meinem Team ist.“

Die perfekte Formel
Noch ist es zu früh für konkrete Ergebnisse. „Im Modell sehen wir zwar schon erste funktionelle Verbesserungen. Gewisse Verbindungen sind also entstanden“, sagt Ceto. „Aber noch sind wir nicht da, wo wir gern wären. Wir müssen noch besser verstehen, was innerhalb des Transplantats geschieht.“ Bis mindestens nächstes Jahr arbeitet Ceto noch an dieser Aufgabenstellung. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen später einmal helfen, die Stammzell-Präparationen zu verfeinern, und so das beste Ergebnis für den Patienten ermöglichen.

Die „perfekte Formel“ für eine Therapie mit Stammzellen: Ceto schätzt, dass dafür noch mindestens fünf bis zehn Jahre nötig sein werden. (Alyssa Lavine )
Die „perfekte Formel“ für eine Therapie mit Stammzellen: Ceto schätzt, dass dafür noch mindestens fünf bis zehn Jahre nötig sein werden.  © Alyssa Lavine

Bis es so weit ist, gibt es allerdings noch einige Fragen zu klären. Welche Stammzellen eignen sich am besten? Was ist die perfekte Kombination aus Stammzellen, Wachstumsfaktoren, Molekülen und Trägermaterialien? Und wie sicher ist diese Anwendung später für den Patienten? Ceto ist schon jetzt davon überzeugt, dass Stammzellen die Zukunft gehört, wenn es um die Behandlung von Querschnittspatienten geht: „Sie haben das Potential, sowohl die richtige Umgebung für eine regenerative Heilung zu schaffen als auch die Verschaltung der Nervenzellen wiederherzustellen. Damit schlagen sie zwei Fliegen mit einer Klappe.“ Zudem könnten sie sich für nahezu jede Rückenmarksverletzung eignen, auch oder insbesondere für chronische und komplett gelähmte Patienten. Ceto schätzt, dass es noch mindestens fünf bis zehn Jahre dauert, bis sie die exakte Formel für einen Einsatz beim Patienten gefunden haben. „Wir wollen absolut sichergehen, dass der Behandlungsansatz, an dem wir arbeiten, hervorragend funktioniert, bevor wir ihn in die Klinik bringen. Aber ich bin davon überzeugt, wenn es so weit ist, hat der größeres Potential als alles, was wir zuvor gesehen haben“, sagt er und fügt grinsend in Richtung Tuszynski hinzu: „Schließlich streben wir einen Home Run an.“

Dieses Forschungsprojekt wird unter anderem mit Ihren Spendengeldern finanziert. Danke dass Sie uns helfen, Querschnittslähmung zu heilen.