Regenerative Medizin

  • Mechanismen der GeweberegenerationMechanismen der Geweberegeneration
  • Mechanismen der Geweberegeneration
  • Prof. Dr. Robert M. Nerem,  Direktor Georgia Tech/Emory Center (GTEC)  für Regenerative Medizin und Gastprofessor Chonbuk National University in Jeonju, Koreanju, Korea

In dem schnell wachsenden, interdisziplinären Fachgebiet der regenerativen Medizin wird angestrebt, biologische Funktionen, die in Geweben und Organen aufgrund von angeborenen Fehlbildungen, Verletzungen, Krankheiten oder Alterung verloren gegangen sind, zu ersetzen, zu reparieren und/oder zu verbessern. Ziel ist es, die angeborenen biologischen Fähigkeiten des menschlichen Körpers zu nutzen. Das Grundkonzept eines vermehrt biologischen Ansatzes bei der Entwicklung medizinischer Implantate und damit einhergehender Behandlungen geht auf die erste Hälfte des 20. Jahrhunderts zurück. Die moderne regenerative Medizin begann jedoch erst vor einem Vierteljahrhundert.

Der Schwerpunkt lag zunächst auf dem Ersatz von Gewebe, d.h. auf der Entwicklung von Substitutionsgewebe außerhalb des Körpers zur Implantation in den Körper. Hautersatz gehörte zu den ersten Zielen, auf die hingearbeitet wurde. Obwohl die kommerzielle Entwicklung in den 1990er Jahren begann, gab es am Anfang dieses Jahrzehnts bei der kommerziellen Umsetzung zumeist finanzielle Probleme. Trotz der Höhen und Tiefen bei der wirtschaftlichen Verwertung machte die Wissenschaft Fortschritte. In den 1990er Jahren entwickelte sich die Stammzelltechnologie. Der anfängliche Schwerpunkt auf dem Ersatz wurde ausgedehnt auf die Reparatur und Regeneration, sodass heute eine Vielzahl von Ansätzen verfolgt werden. Die biologische Komplexität vieler, wenn nicht sogar der meisten Gewebe und Organe, die von Interesse sind, erfordert einen breit gefächerten Ansatz. Darüber hinaus deutet diese Komplexität darauf hin, dass Reparatur und/oder Regeneration die erfolgversprechenderen Strategien sind. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Funktionsmerkmale einer Zelle durch eine „Symphonie von Signalen" gesteuert werden. Diese „Symphonie" besteht aus löslichen Molekülen, der Substratmatrix und der extrazellulären Matrix, mit denen die Zelle verankert, bzw. von denen sie umgeben ist, dem Zell-Zell-Kontakt und den physischen Kräften, d.h. der mechanischen Umgebung, in der sich die Zelle befindet.
Das Interesse an Stammzellen liegt darin begründet, dass die Zellherkunft ein wichtiges Thema ist und es eine Vielzahl verschiedenster Stammzellen gibt.

Die embryonale Stammzelle (ES-Zelle) hat die Fähigkeit, jeden Zelltyp im menschlichen Körper zu produzieren. Da sie aus Embryos gewonnen werden, die durch in-vitro-Befruchtung erzeugt wurden, sind für manchen solche Zellen ethisch umstritten. Daneben gibt es die verschiedenen adulten Stammzellen, bei denen die häufigsten aus dem Knochenmark gewonnen werden, wie zum Beispiel die mesenchymalen Stammzellen (MSC). Ein neuerer und aufregender Fortschritt war die Erkenntnis, dass eine somatische Zelle, wie zum Beispiel eine Hautzelle, neu programmiert werden kann, um eine so genannte induzierte pluripotente Stammzelle (iPS) zu erzeugen. Wir müssen über iPS-Zellen noch viel lernen, und es kann sich möglicherweise herausstellen, dass iPS-Zellen, obwohl sie den ES-Zellen ähneln, ganz eigene Merkmale besitzen. Und schließlich gibt es noch eine Vielzahl von Vorläuferzellen im menschlichen Körper. Diese besitzen eine eingeschränkte Differenzierungspotenz. Ein Beispiel ist die endotheliale Vorläuferzelle, die zielgerichtet im Blut zirkuliert und Gefäßverletzungen repariert. Welche dieser verschiedenen Arten von Stamm-/Vorläuferzellen wichtig sein werden, wird sehr von dem jeweiligen Gewebe oder Organ abhängen, und ob der Ansatz den Ersatz, die Wiederherstellung oder gar die Regeneration verfolgt.

So aufregend wie die Fortschritte in der Biologie der Stammzellen und Vorläuferzellen auch waren, bedeutet die regenerative Medizin doch mehr als lediglich die Arbeit mit Stammzellen. Denn damit eine Strategie erfolgreich ist, muss man die Zellen und/oder die notwendigen Signale, d.h. jene, die die gewünschte Zellfunktion steuern, am richtigen Platz und zur richtigen Zeit liefern. Diese „Symphonie der Signale" könnte von den Zellen geliefert werden, die in der jeweils angewandten Strategie eingesetzt werden. Wenn wir jedoch die notwendigen Signale wirklich verstehen würden und wie und wann sie geliefert werden müssen, dann könnte es sein, dass der Ansatz in vielen Fällen azellulär wäre.

Das Konzept der Regeneration wird für viele immer faszinierender. Die regenerativen Prozesse, die man bei Arten wie dem Molch oder dem Salamander beobachtet hat, wurden beim Menschen durch die Prozesse der Entzündung und der Bildung von Narbengewebe ersetzt. Beim Menschen wird das Ausmaß, in dem wir dem regenerativen Prozess Starthilfe geben und die entsprechenden Zutaten liefern können, unseren Erfolg bestimmen, wenn es um die Regeneration von Gewebe und Organen geht. Zum jetzigen Zeitpunkt sieht es so aus, als sei die Regeneration von adultem menschlichen Gewebe noch im Bereich der Science Fiction anzusiedeln. Es gibt jedoch aus dem Entwicklungsprozess und somit aus der Entwicklungsbiologie viel zu lernen, auch wenn sich die geometrische Skala und die Zeitskala für den Erwachsenen und den sich entwickelnden Embryo sehr stark unterscheiden.

Es ist jedoch klar, dass nicht ein Ansatz allein alle Probleme lösen wird. Vielmehr wird es wahrscheinlich so sein, dass für jedes Gewebe und jeden pathologischen Zustand ein eigener Ansatz erforderlich ist, um optimale Resultate zu erzielen. Wenn Stammzellen eingesetzt werden, seien es ES-Zellen, MSC, iPS-Zellen oder andere Arten von Zellen, wird es außerdem erforderlich sein, Verarbeitungssysteme zu entwickeln, die die Vermehrung der Zellen und ihre Differenzierung ermöglichen und zwar mit der für den Einsatz in klinischen Therapien unabdingbaren Qualitätskontrolle.

Die klinische Umsetzung der regenerativen Medizin erfordert allerdings mehr als wissenschaftliche Forschung und die Weiterentwicklung der entsprechenden Technologien. Die Zulassungsbehörden müssen geschult werden im Hinblick auf nicht-traditionelle Ansätze, damit sie entsprechende Richtlinien für sichere und wirksame Anwendungen im Bereich der regenerativen medizinischen Strategien entwickeln können. Drittmittelgeber müssen so schnell wie möglich einbezogen werden, um viel versprechende Ansätze zu unterstützen und Strategien der regenerativen Medizin zu honorieren, die das Potenzial haben, das Gesundheitswesen erheblich zu beeinflussen. Obwohl die Industrie mittlerweile den richtigen Weg eingeschlagen zu haben scheint, müssen die Themen der Gesetzgebung und der Kostenerstattung in Angriff genommen werden, wenn diese Industrie gedeihen soll. Nur dann können die durch die regenerative Medizin entwickelten Therapien so weit wie nur möglich verbreitet werden.

Angesichts der immer schnelleren Fortschritte in Wissenschaft und Technik hat die regenerative Medizin das Potenzial, wirklich zu halten, was sie verspricht, nämlich Therapien zu bieten für Krankheiten, Verletzungen und Störungen, bei denen die Patienten heutzutage noch keine alternativen Therapiemöglichkeiten haben. Welche Fortschritte sind bei einem Blick in die Zukunft vorstellbar? Zunächst einmal wird es in-vitro-Modelle von Geweben und Organen geben, die aus menschlichen Zellen hergestellt werden und für die Entwicklung von Medikamenten bzw. für Toxizitätsuntersuchungen eingesetzt werden. Es wird aus Stammzellen gewonnene und in vitro vermehrte Blutzellen geben, die so den Bedarf an Blutspenden senken werden. Vorstellbar ist auch eine Insulin sezernierende, auf Glukose reagierende, bioartifizielle Bauchspeicheldrüse - und das in gar nicht einmal so ferner Zukunft. Für Kinder mit einem angeborenen Herzfehler wird es eine aus Gewebe konstruierte Herzklappe geben, die aus lebenden Zellen hergestellt wird und mit dem Kind wächst. Es wird auch zellbasierte Therapien für die Reparatur der Herzwand nach einem Herzinfarkt geben. Und schließlich - das wäre dann wirklich der Heilige Gral - könnte es auch um die Reparatur, ja sogar die Regeneration des zentralen Nervensystems gehen.

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