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Sonntag, 25.09.2016
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Forscher entwickeln künstliches Knochenmark

Vermehrung von blutbildenden Stammzellen in spezieller Zellkultur ist geglückt

Stammzellen im Knochenmark sind entscheidend, denn sie produzieren den Nachschub wichtiger Blutzellen. Jetzt ist es Forschern gelungen, solche blutbildende Stammzellen in einem künstlichen Knochenmark zu züchten und zu vermehren. Das könnte in einigen Jahren die Behandlung von Leukämie erleichtern, weil dann die Stammzellen aus den knappen Knochenmarksspenden vermehrt werden können.
Stammzellen (gelb/grün) in einer Gerüststruktur (blau), die als Basis für künstliches Knochenmark dient.

Stammzellen (gelb/grün) in einer Gerüststruktur (blau), die als Basis für künstliches Knochenmark dient.

Die Zellen unseres Bluts, darunter rote Blutkörperchen und Abwehrzellen, werden ständig durch neue ersetzt. Für den Nachschub sorgen die blutbildenden Stammzellen des Knochenmarks. Wird dieses Reservoir zerstört, beispielsweise bei der Therapie gegen Leukämie, dann ist der Patient auf Zufuhr dieser lebenswichtigen blutbildende Stammzellen von außen angewiesen. Meist geschieht dies über eine Knochenmarksspende. Allerdings kann derzeit nicht jeder Leukämiepatient auf diese Weise behandelt werden, da nicht genügend passende Transplantate verfügbar sind.

Eine einfache Lösung dieses Problems wäre, blutbildende Stammzellen einfach im Labor zu vermehren. Bisher aber ist das nicht möglich, denn diese Zellen behalten ihre Stammzelleigenschaften nur in ihrer natürlichen Umgebung, das heißt in ihrer Nische im Knochenmark. Zu ihrer Vermehrung bedarf es daher einer Umgebung, die der Mikroumgebung im Knochenmark ähnelt.

Schwamm mit Ankerstellen und Hilfszellen


Cornelia Lee-Thedieck vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und ihre Kollegen vom Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme Stuttgart und der Universität Tübingen ist es nun gelungen, grundlegende Eigenschaften des natürlichen Knochenmarks künstlich im Labor nachzubilden. Dazu schufen sie mithilfe von synthetischen Polymeren eine poröse Struktur, welche die schwammartige Struktur des Knochens im Bereich des blutbildenden Knochenmarks nachahmt.


Eine dem Knochen nachempfundene synthetische Gerüststruktur wird mit einer Pinzette in einem Gefäß für die Kultivierung von Stammzellen platziert.

Eine dem Knochen nachempfundene synthetische Gerüststruktur wird mit einer Pinzette in einem Gefäß für die Kultivierung von Stammzellen platziert.

Außerdem bauten sie Eiweißbausteine mit ein, wie sie in der Matrix des Knochenmarks vorkommen und als Verankerungsmöglichkeiten für die Zellen dienen. Die Wissenschaftler setzten darüber hinaus weitere Zelltypen aus der Stammzellnische in die Struktur ein, um den blutbildenden Stammzellen den gewohnten Austausch mit diesen Zellen zu ermöglichen.

Vermehrung geglückt


Um zu testen, ob dieses künstliche Knochenmark auch von den blutbildenden Stammzellen angenommen wird, brachten die Forscher frisch aus Nabelschnurblut isolierte 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 können. Sehr viel mehr Stammzellen als bei bisherigen Kulturversuchen behielten ihre einzigartige Fähigkeit, Nachschub für die verschiedenen Zellen des Blutes zu bilden.

Damit könnte diese Methode einen Weg eröffnen, künftig die für Leukämiepatienten so wichtigen Knochenmarks-Stammzellen auch in Kultur zu züchten. Noch allerdings muss das neue System gründlich getestet und verfeinert werden. Die Wissenschaftler wollen nun die Wechselwirkungen zwischen Materialien und Stammzellen detailliert weiter untersuchen. Dadurch lässt sich feststellen, wie sich Stammzellverhalten durch synthetische Materialien beeinflussen und steuern lässt. In zehn bis 15 Jahren, so schätzen sie, könnte dieses Wissen dann dazu beitragen, eine künstliche Stammzellnische für die gezielte Vermehrung von Stammzellen zur Behandlung von Leukämie-Patienten zu realisieren. (Biomaterials, 2014; doi: 10.1016/j.biomaterials.2013.10.038)
(Karlsruher Institut für Technologie, 06.01.2014 - NPO)
 
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