Nervenzellen aus Stammzellen

Wie Natriumchlorat aus neuralen Stammzellen Neuronen differenziert

  • Abb. 1: Sulfatierung am Golgiapparat und Inhibition der Sulfatierung durch Natriumchlorat.Abb. 1: Sulfatierung am Golgiapparat und Inhibition der Sulfatierung durch Natriumchlorat.
  • Abb. 1: Sulfatierung am Golgiapparat und Inhibition der Sulfatierung durch Natriumchlorat.
  • Abb. 2: Natriumchlorat reduziert die Sulfatierung von extrazellulären Matrixproteinen. Reproduziert und modifiziert nach [5], Figure 2 B.
  • Abb. 3: Natriumchlorat beeinflusst die morphologische und funktionale Reifung von Neuronen aus neuralen Stammzellen. Reproduziert und modifiziert nach [5], Figure 7.

Nervenzellen aus Stammzellen zu generieren, um Neuronen zu ersetzen, ist eine Methode, die noch in den Kinderschuhen steckt, wohingegen andere Möglichkeiten für Stammzelltherapien im Laufe der letzten Jahre in vielfältiger Weise vorangetrieben worden sind. Allerdings gab es nur sehr wenige, die Klinikreife erlangten. Eine seit Jahrzehnten etablierte Therapie ist der Ersatz von Stammzellen des blutbildenden Systems. Diese Therapie basiert ursprünglich auf dem rechtzeitigen Auffinden von serotypologisch passenden Knochenmarkspendern mit entsprechender invasiver OP für den Spender. Mittlerweile gelten aber auch Nabelschnurblut und die Interleukin-basierte Aktivierung der Knochenmarksstammzellen zur anschließenden Filtration aus dem peripheren Blut als Möglichkeiten für den Ersatz von Stammzellen des Blutes. 

Experimentelle Transplantationen in den 80er Jahren des 20. Jahrhunderts mittels mesenchymaler Stammzellen, als Ersatz für den Verlust von dopaminergen Neuronen, bei Parkinson konnten signifikante Erfolge vorweisen. Jedoch war diese Therapiemöglichkeit aus Gründen der Ethik nur experimentell angelegt, da die Quelle der Stammzellen abgetriebene Föten waren.

In der Zwischenzeit sind die Quellen für Stammzellen vielfältiger geworden, vor allem um ethischen Bedenken der Forscher und der Öffentlichkeit entgegen zu wirken. Waren humane embryonale Stammzellen jahrelang im Fokus der Forschung und der öffentlichen Diskussion, so nehmen nun die induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs, induced pluripontent stem cells) diesen Platz ein und umgehen so einen Großteil der ethischen Bedenken. Dennoch gelten die humanen embryonalen Stammzellen bis auf weiteres als Standard für die Charakterisierung der iPS Zellen, da diese aufgrund ihrer somatischen Herkunft und ihres Alters Mutationen angehäuft haben können, die die Zellfunktionen als Stammzelle nachhaltig negativ beeinflussen könnten.

Die gezielte pharmakologische Beeinflussung der Zellen hat den Vorteil, dass sie sich im Gegensatz zu genetischen Ansätzen sehr variabel und reversibel einsetzen lässt.

Daher beschäftigt immer mehr Forscher die Frage, wie die Effizienz der Entwicklung hinsichtlich eines bestimmten Zelltyps auch pharmakologisch gezielt beeinflusst werden kann. Das Eingreifen in biochemische Prozesse erfordert jedoch auch eine genaue Kenntnis des Wirkmechanismus.

In einer neuen Studie konnte nun gezeigt werden, dass mithilfe der Substanz Natriumchlorat nicht nur das Sulfatierungsmuster der extrazellulären Matrixproteine von neuralen Stammzellen des Rückenmarks unterdrückt und damit verändert werden kann sondern auch, dass diese Änderung weitreichende Folgen für die weitere Entwicklung und Differenzierung der neuralen Stammzellen hat.

Neurale Stammzellen im Gehirn

Entgegen der landläufigen Meinung, dass das Gehirn keine neuen Zellen bilden kann, hat die Forschung in den vergangenen 40 Jahren gezeigt, dass sich Nervenzellen nicht nur in der Embryonalentwicklung bilden, sondern auch im erwachsenen Gehirn. Zentral für die Forschungen steht dabei die Londoner Taxifahrerstudie, die zeigen konnte, dass intensives Lernen zu einer Zunahme der grauen Substanz im Bereich des Hippocampus führt. Auch auf dem Gebiet der Krankheitserforschung konnte in Bezug auf z. B. Morbus Alzheimer ein eindeutiger Zusammenhang von Lernen und höherer Schulbildung und dem damit verbundenen besseren Schutz vor Alzheimer gezeigt werden. Neben dem Hippocampus sind der perforante Weg, ausgehend vom lateralen Ventrikel hin zum Bulbus olfactorius sowie die neurogene Nische weitere Bereiche der Neuroneogenese. Neben den Neuronen erneuern sich auch die Gliazellen, Astrozyten und Oligodendrozyten, die die Myelinscheiden für die Axone des zentralen Nervensystems bilden. Im Falle von Läsionen des Gehirns, durch Unfälle oder Krankheiten, wie z.B. Multipler Sklerose kommt es zur Proliferation der Gliazellen. Diese kann mit einer Aufrechterhaltung bzw. teilweisen Regeneration von Nervenzellkontakten und -kommunikation einhergehen [1]. Störend für diese Regeneration ist vor allem die Ausbildung der glialen Narbe an der u.a. Proteine der extrazellulären Matrix, wie z.B. Tenascin C beteiligt sind. Astrozyten bilden des Weiteren neurogene Nischen, die an Neuroneogenesevorgängen des Gehirns zentral beteiligt sind. Die Persistenz und auch die mögliche regenerative Kapazität der neurogenen Nische hängen ganz zentral von der extrazellulären Matrix ab. So konnte gezeigt werden, dass das Enzym Chondroitinase ABC, das die Chondroitinsulfatseitenketten der extrazellulären Matrixproteine spaltet, die neuralen Stammzellen in ihrer Differenzierung beeinflusst. Mithilfe dieses Enzyms wurden neurale Stammzellen vermehrt in die gliogene Richtung getrieben [2, 3]. Hier konnte also bereits gezeigt werden, dass die Veränderung der extrazellulären Matrix Einfluss auf das Zellschicksal von neuralen Stammzellen nimmt. Ist es also möglich die extrazelluläre Matrix, die auch von neuralen Stammzellen in Kultur selbst produziert wird, so zu verändern, dass das Gleichgewicht für die Bildung von Neuronen und Gliazellen zur anderen Seite, der neuronalen Linie, ausschlägt?

Wenn die pharmakologische Beeinflussung durch ein bakterielles Enzym wie Chondroitinase ABC funktioniert, so könnten andere pharmakologische Substanzen doch das Gegenteil bewirken. Während Chondroitinase ABC nahezu die kompletten Zuckerseitenketten an den extrazellulären Proteinen entfernt, agiert Natriumchlorat (auch: NaClO3) wesentlich subtiler indem es zwar die Sulfatierung der zellulären und extrazellulären Proteine beeinflusst, aber die Zuckerseitenketten bei Proteinen der extrazellulären Matrix intakt lässt [4]. Es lohnt sich daher einen genaueren Blick auf den Wirkmechanismus von Natriumchlorat zu werfen.

Wie wirkt Natriumchlorat auf Zellen?

Natriumchlorat wird mittels Elektrolyse aus Natriumchlorid generiert. Es wird in der chemischen Industrie als Bleichmittel und auch als Unkrautvernichtungsmittel hergestellt. Aufgrund seiner Anwendungsbereiche wurde stets auch vermutet, dass Natriumchlorat schädigende Wirkung auf tierische und menschliche Zellen hat. Nichtsdestotrotz wird es unter anderem auch als chemischer Sauerstoffgenerator bei Flugzeugen im Falle des Druckabfalls verwendet, da die chemische Reaktion mit Eisen Sauerstoff freisetzt. Natriumchlorat dringt in die Zellen ein und nimmt Einfluss auf die Katalyse der Chondroitinsulfat- (CS-) und Heparansulfat- (HS-) spezifischen Sulfotransferasen, die im Golgiapparat lokalisiert sind. Als Sulfatdonor wirkt bei dieser Reaktion das 3´-Phosphoandenosin-5´-phosphosulfat (PAPS). Die enzymatische Generierung von PAPS kann durch Natriumchlorat inhibiert werden und damit steht dann den Sulfotransferasen kein Sulfat zur Sulfatierung der CS- und HS-Seitenketten zur Verfügung (Abb. 1). Auch der enzymatische Abbau der Zuckerseitenketten mittels Chondroitinase ABC beeinflusst den Differenzierungsprozess neuraler Stammzellen [2]. Natriumchlorat wirkt jedoch nur auf die Sulfatierung. Führt das zu Änderungen im Differenzierungsprozess und dem Überleben der Zellen? (siehe auch Abb. 2) [5]. Natriumchlorat hat zunächst einmal Einfluss auf die Zellproliferation, nicht jedoch auf das Zellüberleben (Abb. 3; [5]). Warum werden aber im Vergleich zur unbehandelten Kontrolle weniger Zellen generiert. Dieses Phänomen kommt durch eine generelle Verlängerung der G2 Phase des Zellzyklus zustande [5].

Weiterhin trieb die Behandlung die Zellen vermehrt in Richtung Neurogenese und der relative Anteil an Gliazellen in der Kultur war niedriger. Die so entstandenen Neuronen waren jedoch unreifer als die in den Kontrollkulturen ohne Natriumchlorat (Abb. 3; [5]). Neben morphologischen Charakteristika wie dem Vorhandensein von Axon und Dendriten wurden die Neurone auch elektrophysiologisch untersucht [5].

Ausblick

Wie sähe eine mögliche Anwendung von Natriumchlorat aus? Neurale Stammzellen, auch aus embryonalen Stammzellen oder iPS Zellen generiert, könnten in Kultur direkt verwendet werden um dann in einem zweiten Schritt in Gegenwart von Natriumchlorat wachsen. Anhand von Tiermodellen oder auch
anhand von Transplantationen an Gehirnschnitten könnte dann das Schicksal dieser Zellen näher betrachtet werden.

Die Pharmakologie bietet mit ihrer Stoff-/Substanzfülle nahezu unbegrenzte Möglichkeiten für die medizinisch-biologische Forschung. Hochdurchsatzverfahren haben dabei ebenso ihren Platz wie gezielte Testungen an etablierten Systemen. Neurale Stammzellen sind sicherlich aufgrund ihrer hohen Proliferationsraten in Kultur und der einfachen Isolierung für beides geeignet. Dennoch ist es notwendig die Testungen sorgfältig und umfassend durch zu führen damit in vivo Testungen nicht zu einem unabsehbaren Vabanque Spiel werden. Auch die Testung von Substanzen in unterschiedlichen Systemen ist dabei angebracht, damit die Auswirkungen von Pharmaka auf die Entwicklung von Neuronen nicht nur auf einem Zelltyp beruhen. Insgesamt sind neurale Stammzellen ein sehr geeignetes System, da sie in einem Schritt sozusagen beide Voraussetzungen erfüllen sofern man den Blick offenhält für die Proliferation und das Überleben der neuralen Stammzellen, wie auch das Verhalten der daraus differenzierten Neuronen und Gliazellen.

Literatur
[1] Habuchi O.: Biochim Biophys Acta, 1474(2): p. 115-27 (2000)
[2] Sirko S. et al.: Methods Enzymol,. 479: p. 37-71 (2010)
[3] Sirko S. et al.: Development, . 134(15): p. 2727-38 (2007)
[4] Smith-Thomas L.C. et al.: J Cell Sci, 108 ( Pt 3): p. 1307-15 (1995)
[5] Karus M. et al.: Neural Dev, . 7(1): p. 20 (2012)

Kontakt
Prof. Dr. Stefan Wiese
Gruppenleiter Fakultät für Biologie
und Biotechnologie
AG Molekulare Zellbiologie
Ruhr-Universität Bochum

Autor(en)

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Ruhr Universität Bochum

44780 Bochum
Deutschland

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