Knochenmark im Labor nachgebaut
Wissenschaftlern ist es gelungen, Knochenmark im Labor nachzubauen und darin blutbildende Stammzellen zu vermehren. In etwa zehn bis 15 Jahren soll es möglich sein, dass zur Behandlung von Leukämie-Patienten gesunde Stammzellen im künstlichen Knochenmark gezielt hergestellt werden.
Die Stammzellen, hier durch ein Raster-Elektronenmikroskop gesehen, haften locker in einer Gerüststruktur, die als Basis für künstliches Knochenmark dient.
Foto: C. Lee-Thedieck/KIT
Bis Leukämie-Patienten tatsächlich auf Stammzellen aus dem künstlichen Knochenmark hoffen dürfen, wird es wohl noch einige Jahre dauern. Aber die Herstellung eines Knochenmark-Prototyps, wie es jetzt Karlsruher Materialforschern gelungen ist, bringt die Medizin einen entscheidenden Schritt weiter auf dem Weg, blutbildende Stammzellen außerhalb des Körpers gezielt zu vermehren.
Stammzellen behalten ihre Eigenschaften nur in ihrer Nische im Knochenmark
Cornelia Lee-Thedieck vom Institut für Funktionelle Grenzflächen des Karlsruher Instituts für Technologie leitet die Nachwuchsgruppe „Stammzell-Material-Wechselwirkungen“. Ihr Team hat es in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme Stuttgart und der Universität Tübingen nun geschafft, die komplexe Struktur und die grundlegenden Eigenschaften des Knochenmarks im Labor nachzubilden. Dafür mussten die Wissenschaftler den porösen, schwammartigen Aufbau des Knochenmarks nachahmen. In diesem „Schwamm“, der aus vielen kleinen Knochenbälkchen besteht, haften die einzelnen Zellen des Knochenmarks. Darunter sind auch die Vorläuferzellen des Blutes. Diese Stammzellen, die sich durch Teilung permanent erneuern, sind entscheidend für die Knochenmarkstransplantation. Werden gesunde blutbildende Stammzellen in einen Organismus mit geschädigter Blutbildung übertragen, kann sich die Funktion des Knochenmarks vollständig normalisieren. Allerdings muss für den Empfänger der passende Knochenmarksspender gefunden werden.
Eine dem Knochen nachempfundene synthetische Gerüststruktur wird mit einer Pinzette in einem Gefäß für die Kultivierung von Stammzellen platziert.
Quelle: C. Lee-Thedieck/KIT
Könnten blutbildende Stammzellen außerhalb des Körpers gezielt vermehrt werden, würde das die aufwendige Suche nach geeigneten Spendern überflüssig machen. Die Tatsache jedoch, dass Stammzellen ihre speziellen Eigenschaften nur in ihrer natürlichen Umgebung behalten, das heißt in ihrer Nische im Knochenmark, hat dies bisher unmöglich gemacht. Außerhalb dieser Nische verändern sie sich. In der Nische befinden sich neben Knochenzellen und blutbildenden Stammzellen noch verschiedene andere Zelltypen, mit denen die blutbildenden Stammzellen Signalstoffe austauschen. Darüber hinaus werden die Zellen dort mit Nährstoffen und Sauerstoff versorgt.
Frische isolierte Stammzellen vermehrten sich im künstlichen Knochenmark
Zu ihrer Vermehrung mussten die Wissenschaftler also eine Umgebung schaffen, die der Stammzellnische im Knochenmark ähnelt. Mithilfe von synthetischen Polymeren ahmten sie die schwammartige Struktur, die den Zellen die Möglichkeit zur Verankerung gibt, im Innern des Knochens nach. Außerdem setzten sie weitere Zelltypen aus der Stammzellnische in die Struktur ein, um den blutbildenden Stammzellen den gewohnten Austausch mit diesen Zellen zu ermöglichen.
In dieses künstliche Knochenmark brachten die Forscher frisch aus Nabelschnurblut isolierte blutbildende Stammzellen ein und bebrüteten sie über mehrere Tage. Analysen mit verschiedenen Methoden zeigten, dass sich die Zellen in dem neu entwickelten künstlichen Knochenmark tatsächlich vermehren. Im Vergleich zu Standardmethoden zur Zellkultivierung behielt in dem künstlichen Knochenmark ein deutlich erhöhter Anteil der Stammzellen die spezifischen Eigenschaften bei.
Das neu entwickelte künstliche Knochenmark, das grundlegende Eigenschaften natürlichen Knochenmarks nachbildet, erlaubt es den Wissenschaftlern nun, die Wechselwirkungen zwischen Materialien und Stammzellen detailliert im Labor zu untersuchen. Dadurch lässt sich feststellen, wie sich Stammzellverhalten durch synthetische Materialien beeinflussen und steuern lässt.
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