Forscher stellen ganzes Lungen-Blutgefäßsystem aus Stammzellen her

15. September 2015, 12:40
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Induzierte pluripotente Stammzellen entwickelten sich zu Blutgefäß-Zellen und formten funktionelles Gewebe

Wien/Cambridge – Forschern ist auf dem Weg zu biologischen Kunst-Organen ist ein entscheidender Schritt gelungen: Wissenschafter in den USA haben Stammzellen dazu gebracht, sich zu Blutgefäß-Zellen zu entwickeln und zu funktionellem Gewebe zu formen – konkret zu Blutgefäßen einer Lunge, wie der aus Österreich stammende Chirurg Harald Ott von der Harvard Medical School im Fachjournal "Nature Biotechnology" berichtet.

Ott hat in den vergangenen Jahren mit seiner Arbeit an künstlichen biologischen Organen für Aufsehen gesorgt. Er baute in Bioreaktoren Herz, Lunge und Niere von Ratten nach, die – wenn auch in reduziertem Ausmaß – funktionsfähig waren und in lebende Tiere transplantiert teilweise für mehrere Wochen arbeiteten.

Extrazelluläre Matrix

Als Ausgangsmaterial für die Kunst-Organe verwendet der Forscher Organe toter Tiere oder Menschen, die mit einem speziellen Verfahren von allen Zellen befreit werden. Übrig bleibt dann nur noch ein Gerüst aus sogenannter extrazellulärer Matrix (ECM). Diese ist in hohem Maße biokompatibel und ruft – später in einem fremden Organismus verpflanzt – keine Abstoßungsreaktion hervor.

Diese ECM wird dann in einem Bioreaktor mit frischen Zellen des entsprechenden Gewebes wieder besiedelt. Dafür verwendeten die Forscher bisher verschiedene Zellen, etwa noch nicht fertig ausdifferenzierte Zellen aus Ratten-Föten. So stellten sie etwa eine Kunst-Niere her, die im Labor bis zu 23 Prozent und nach Transplantation in eine lebende Ratte bis zu zehn Prozent der Funktion einer normalen Niere erreichte. Eine biologische Kunst-Lunge funktionierte bis zu zwei Wochen, nachdem sie einer lebenden Ratte transplantiert wurde.

Nun ist es Ott und seinem Team gelungen das gesamte Gefäßsystem einer menschlichen Lunge mit Endothel-Zellen, die die Blutgefäße auskleiden, und Perizyten, die die Außenwand von Kapillargefäßen bilden, zu besiedeln. Der Durchbruch dabei: "Die dafür notwendigen Zellen wurden aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS) hergestellt", sagte Ott. Bei iPS reprogrammieren die Forscher bereits fertig ausdifferenzierte Zellen in eine Art embryonalen Zustand, aus dem sich dann die gewünschte Zellart herstellen lässt.

Bisher verwendeten die Wissenschafter ihnen gut vertraute Endothelzellen aus der Nabelschnur, um ihre Technik zu erproben. Für die Praxis würden sich diese vollständig differenzierten Zellen aber nicht eignen. Es sei kaum möglich, sie so stark zu vermehren, um damit eine humane Lunge herzustellen, und sie würden – weil von einem anderen Individuum stammend – vom Empfänger abgestoßen.

Nächster Schritt: Gezieltes Formen von Gewebe

"Durch spezielle Protokolle zur Zellentwicklung und -vermehrung ist es uns nun gelungen, Zellen in ausreichender Reinheit und Anzahl herzustellen, um die Besiedelung einer humanen Lunge zu ermöglichen", sagte Ott. In der Organentwicklung sei das der nächste Schritt – von einzelnen Zellen im frühen Stadium bis zur Bildung von Gewebe, "sozusagen das gezielte Formen von Gewebe", so Ott. Und dieses Gewebe zeigt wichtige Grundfunktionen des Gefäßsystems, "insbesondere die Barrierefunktion, die Fähigkeit Durchblutung zu ermöglichen und Blutgerinnung zu verhindern", sagte der Wissenschafter.

Die Forscher verwenden iPs auch bereits, um die Lungen-Oberfläche herzustellen. Hier sei man aber noch in einem frühen Stadium, weil das Differenzierungsprogramm komplizierter sei, sagte Ott. Die Wissenschafter hoffen, mit dieser Technik eines Tages eine humane Lunge mit maßgeschneiderten Zellen eines Patienten zu besiedeln und so die Abstoßung und die Nebenwirkungen der Immunsuppression nach einer Transplantation zu umgehen. (APA/red, 15.9.205)

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