Regeneration

Für das Regenerationspotenzial der Lunge spielen so genannte Stamm- oder Vorläuferzellen eine große Rolle. Wie der Name bereits sagt, besitzen diese die Fähigkeit, sich zu reifen funktionsfähigen Zellen zu entwickeln - zu differenzieren wie es in der Fachsprache heißt. Und sie können sich durch Zellteilung nahezu unbegrenzt vermehren, ohne ihren Zustand als noch nicht ausdifferenzierte Zellvorstufen zu verlieren.

Auf Grund dieser Eigenschaften haben die Vorläuferzellen große Bedeutung für die Gesundheit der Lunge. Weil das Organ über die Atemluft in direktem Kontakt mit der Außenwelt steht, ist es schädigenden Einflüssen in größerem Maße ausgesetzt als zum Beispiel die Nieren oder die Milz. Dies gilt insbesondere für das Lungenepithel. Kommt es hier zu Verletzungen, wandern Vorläuferzellen in die betroffene Region, wo sie sich vermehren und zu bestimmten Zelltypen ausdifferenzieren. So können sie die Integrität und die Funktion des geschädigten Gewebes wieder herstellen, im Sinne einer vollständigen Regeneration.

Stammzellen als therapeutische Option der Zukunft

In vielen Fällen ist eine selbstständige Regeneration der Lunge durch körpereigene Stamm- und Vorläuferzellen jedoch nicht möglich. Insbesondere ist dies auch der Fall bei genetisch bedingten Lungenerkrankungen. Vor allem hier bieten so genannte pluripotente Stammzellen neue therapeutische Optionen. 

Insbesondere die 2006 erstmals beschriebenen induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS-Zellen) treten dabei immer mehr in den Fokus der Forschung. iPS-Zellen können praktisch unbegrenzt vermehrt und in eine Vielzahl von Zelltypen differenziert werden. iPS-Zellen werden in vitro durch eine sogenannte Reprogrammierung von adulten, also ausgereiften, Körperzellen gewonnen. Bei diesem Prozess wird das adulte Genexpressionsmuster durch das zusätzliche Einbringen von Genen, sogenannten Pluripotenzfaktoren, in einen früh-embryonalen Zustand zurückversetzt. 

Durch den Reprogrammierungsprozess lassen sich somit sogar patienten- oder krankheitsspezifische Stammzelllinien gewinnen. Krankheitsspezifische Stammzelllinien könnten in Zukunft als völlig neue Werkzeuge für die Erforschung genetischer Erkrankungen dienen. Sie erlauben die Erforschung komplexer Krankheiten in vitro und das Verstehen der zu Grunde liegenden Mechanismen als Basis für die Entwicklung neuer Therapiemöglichkeiten oder das Screening auf innovative medizinische Wirkstoffe. Darüber hinaus könnten iPS-Zellen zukünftig auch Grundlage für die Herstellung unterschiedlicher patienteneigener Zellen in notwendiger Zahl für zelltherapeutische Zwecke sein. 

Vielversprechend ist auch die Möglichkeit, Mutationen zu korrigieren, die die Basis bzw. den Auslöser verschiedener genetisch bedingter Lungenerkrankungen, wie Mukoviszidose, Alpha-1- Antitrypsinmangel oder Alveorlarproteinose bilden. Anschließend lassen sich aus den genkorrigierten Stammzellen die therapeutisch relevanten „gesunden“ Zelltypen, wie z.B. Lungenepithelzellen oder Alveolarmakrophagen hergestellen, um sie für künftige regenerative Zelltherapien einzusetzen.

In Kürze:

In der Lunge gibt es Vorläuferzellen, die das Potenzial haben, geschädigtes Gewebe zu regenerieren.

Mechanismen bis ins Detail verstehen lernen

Wenn es gelingt, die in der Lunge befindlichen Vorläuferzellen dahingehend zu lenken, dass sie Verletzungen des Gewebes „korrekt“ reparieren, würde das die Lungenheilkunde revolutionieren. Gleiches gilt für die zellbasierten Verfahren, die darauf abzielen, untergegangene oder in ihrer Funktion gestörte Zellen und Gewebe durch in den Körper des Patienten eingebrachte Stamm- beziehungsweise Vorläuferzellen zu regenerieren oder zu ersetzen. Voraussetzung dafür ist aber, dass sowohl die molekularen und zellulären Mechanismen der Regeneration als auch die fehlgeleiteten Reparaturvorgänge, die hinter dem Remodeling stehen, bis ins Detail verstanden werden.

Daran wird intensiv geforscht, aber noch sind viele Fragen offen. Was sicherlich auch der ungeheuren Komplexität des Organs geschuldet ist. So erfordern die Entwicklung und Reparatur der Lunge Interaktionen zwischen über vierzig verschiedenen Zelltypen. In der erwachsenen Lunge gibt es auch mehrere Typen von Vorläuferzellen, die sich jeweils zu bestimmten Typen von Lungenzellen ausdifferenzieren können, um dann geschädigtes Gewebe zu regenerieren. Gesteuert und gelenkt wird dies ebenso wie das Remodeling über komplexe Signalwege, an denen eine Vielzahl verschiedener Botenstoffe und biochemisch aktiver Substanzen beteiligt ist – angefangen von Entzündungsmediatoren über Enzyme wie der Elastase bis hin zu Wachstumsfaktoren wie dem Transforming Growth Factor-Beta, der bei der idiopathischen Lungenfibrose offenbar von großer Bedeutung ist.

Wann kommt der Durchbruch?

Wie lange es noch dauern wird, bis regenerative Therapien tatsächlich erfolgreich bei Patienten mit chronischen Lungenerkrankungen eingesetzt werden, ist momentan noch nicht klar absehbar. 

Doch immer wieder werden wichtige Durchbrüche geschafft. So ist es einem Forscherteam unter Führung der Harvard University gelungen, embryonale Stammzellen im Labor zu Lungenvorläuferzellen zu differenzieren. Und Forscher des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Netzwerks CARPuD arbeiten bereits konkret darauf hin, den der Mukoviszidose zu Grunde liegenden Gendefekt mit Hilfe von Stammzellen zu beheben.

Einem Münchner Wissenschaftlerteam am Comprehensive Pneumology Center des Helmholtz Zentrums München ist es 2015 zusammen mit klinischen Partnern erstmals gelungen, an dreidimensionalem, lebendem menschlichem Lungengewebe zu forschen. Die neue Methode erlaubt es, krankes Lungengewebe von Patienten sowie mögliche Reparaturmechanismen in 3D und mit hoher zeitlicher Auflösung zu beobachten. 

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Informationen zum Inhalt

Quellen:

    • Birkelbach, B. et al.: Linking progression of fibrotic lung remodeling and ultrastructural alterations of alveolar epithelial type II cells in the amiodarone mouse model. In: Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol. 2015,309(1): L63-75
    • Kovacs, L. et al.: Activation of Calpain-2 by Mediators in Pulmonary Vascular Remodeling of Pulmonary Arterial Hypertension. – In: Am J Respir Cell Mol Biol. 2015 Aug 6
    • Beers, F. und Morrisey, E.: The three R’s of lung health and disease: repair, remodelling an regeneration. In: The Journal of Clinical Investigation, 2011, 121(6): 2065- 2073
    • Lau, A. et al.: Stem Cells and Regenerative Medicine in Lung Biology and Diseases. In Molecular Therapy, 2012, Mar 6 doi: 10.1038/mt.2012.37. [Epub ahead of print]
    • Kotton, D.N.: Next Generation regeneration: the Hope and Hype of Lung Stem Cell Research. In: American Journal Of Respiratory and Critical Care Medicine, 2012, Apr 19. [Epub ahead of print]
    • James, A.L. und Wenzel, S.: Clinical relevance if airway remodelling in airway disease. In: European Respiratory Journal, 2007, 30: 134-155
    • Staab-Weijnitz C. A. et al.: FK506-Binding Protein 10 is a Potential Novel Drug Target for Idiopathic Pulmonary Fibrosis, Am J Respir Crit Care Med. 2015 Aug 15;192(4):455-67
    • Uhl, F. et al.: Preclinical validation and imaging of Wnt-induced repair in human 3D lung tissue cultures.- in: EurRespir J 2015, 46: 1150–1166

      Letzte Aktualisierung:

      01.10.2015

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