Was ist eine Stammzelle?

Eine Stammzelle ist eine Zelle, die die Fähigkeit hat, sich auf unbestimmte Zeit zu teilen (sich selbst zu replizieren) – oft während des gesamten Lebens eines Organismus. Unter den richtigen Bedingungen oder bei Vorhandensein der richtigen Signale können aus Stammzellen die vielen verschiedenen Zelltypen entstehen (differenzieren), aus denen der Organismus besteht. Das heißt, Stammzellen haben das Potenzial, sich zu reifen Zellen zu entwickeln, die charakteristische Formen und spezialisierte Funktionen haben, wie Herzzellen, Hautzellen oder Nervenzellen.

Das Differenzierungspotenzial von Stammzellen: Grundlegende Konzepte und Definitionen

Viele der Begriffe, die zur Definition von Stammzellen verwendet werden, hängen vom Verhalten der Zellen im intakten Organismus (in vivo), unter bestimmten Laborbedingungen (in vitro) oder nach der Transplantation in vivo ab, oft in ein anderes Gewebe als das, aus dem die Stammzellen gewonnen wurden.

Die befruchtete Eizelle wird beispielsweise als totipotent bezeichnet – vom lateinischen totus, was “ganz” bedeutet -, weil sie das Potenzial hat, alle Zellen und Gewebe zu bilden, aus denen ein Embryo besteht und die seine Entwicklung im Uterus unterstützen. Die befruchtete Eizelle teilt sich und differenziert sich, bis sie einen reifen Organismus hervorbringt. Erwachsene Säugetiere, einschließlich des Menschen, bestehen aus mehr als 200 Arten von Zellen. Dazu gehören Nervenzellen (Neuronen), Muskelzellen (Myozyten), Hautzellen (Epithelien), Blutzellen (Erythrozyten, Monozyten, Lymphozyten usw.), Knochenzellen (Osteozyten) und Knorpelzellen (Chondrozyten). Andere Zellen, die für die embryonale Entwicklung wichtig sind, aber nicht in den Körper des Embryos eingebaut werden, sind die extraembryonalen Gewebe, die Plazenta und die Nabelschnur. Alle diese Zellen entstehen aus einer einzigen totipotenten Zelle, der Zygote oder befruchteten Eizelle.

Die meisten Wissenschaftler verwenden den Begriff pluripotent, um Stammzellen zu beschreiben, die aus allen drei embryonalen Keimschichten – Mesoderm, Endoderm und Ektoderm – hervorgehen können. Diese drei Keimschichten sind die embryonale Quelle aller Zellen des Körpers (siehe Abbildung 1.1. Differenzierung menschlicher Gewebe). Alle der vielen verschiedenen Arten von spezialisierten Zellen, aus denen der Körper besteht, stammen aus einer dieser Keimschichten (siehe Tabelle 1.1. Embryonale Keimschichten, aus denen sich differenzierte Gewebe entwickeln). “Pluri” – abgeleitet vom lateinischen plures – bedeutet mehrere oder viele. Pluripotente Zellen haben also das Potenzial, jede Art von Zelle hervorzubringen, eine Eigenschaft, die im natürlichen Verlauf der Embryonalentwicklung und unter bestimmten Laborbedingungen zu beobachten ist.

Unipotente Stammzellen, ein Begriff, der gewöhnlich auf eine Zelle in erwachsenen Organismen angewandt wird, bedeutet, dass die betreffenden Zellen in der Lage sind, sich nur in einer Linie zu differenzieren. “Uni” leitet sich vom lateinischen Wort unus ab, das eins bedeutet. Es könnte auch sein, dass die adulten Stammzellen in vielen differenzierten, unbeschädigten Geweben typischerweise unipotent sind und unter normalen Bedingungen nur einen Zelltyp hervorbringen. Dieser Prozess würde einen stabilen Zustand der Selbsterneuerung des Gewebes ermöglichen. Wenn das Gewebe jedoch geschädigt wird und der Ersatz mehrerer Zelltypen erforderlich ist, können pluripotente Stammzellen aktiviert werden, um den Schaden zu beheben.

Die embryonale Stammzelle wird durch ihre Herkunft definiert – sie stammt aus einem der frühesten Entwicklungsstadien des Embryos, der Blastozyste. Konkret werden embryonale Stammzellen aus der inneren Zellmasse der Blastozyste in einem Stadium vor der Einnistung in die Gebärmutterwand gewonnen. Die embryonale Stammzelle kann sich selbst vermehren und ist pluripotent – sie kann Zellen aus allen drei Keimschichten hervorbringen.

Die adulte Stammzelle ist eine undifferenzierte (unspezialisierte) Zelle, die in einem differenzierten (spezialisierten) Gewebe vorkommt; sie kann sich erneuern und spezialisieren, um alle spezialisierten Zelltypen des Gewebes hervorzubringen, aus dem sie stammt. Adulte Stammzellen sind in der Lage, sich während der gesamten Lebenszeit des Organismus zu erneuern. Quellen für adulte Stammzellen wurden im Knochenmark, im Blutkreislauf, in der Hornhaut und der Netzhaut des Auges, im Zahnmark des Zahns, in der Leber, der Haut, dem Magen-Darm-Trakt und der Bauchspeicheldrüse gefunden. Im Gegensatz zu embryonalen Stammzellen gibt es derzeit keine isolierten adulten Stammzellen, die in der Lage sind, alle Zellen des Körpers zu bilden. Das heißt, es gibt derzeit keinen Beweis für eine adulte Stammzelle, die pluripotent ist.

Abbildung 1.1. Differenzierung menschlicher Gewebe.

(© 2001 Terese Winslow, Caitlin Duckwall)

Tabelle 1.1. Embryonale Keimschichten, aus denen sich differenzierte Gewebe entwickeln

Embryonale Keimschicht	Differenzierte Gewebe
Endoderm	Thymus Schilddrüse, Nebenschilddrüsen Kehlkopf, Luftröhre, Lunge Harnblase, Vagina, Harnröhre Magen-Darm-Organe (Leber, Bauchspeicheldrüse) Auskleidung des Magen-Darm-Trakts Auskleidung der Atemwege
Mesoderm	Knochenmark (Blut) Nebennierenrinde Lymphatisches Gewebe Skelett, glatte Muskeln und Herzmuskeln Bindegewebe (einschließlich Knochen, Knorpel) Urogenitalsystem Herz und Blutgefäße (Gefäßsystem)
Ektoderm	Haut Neuralgewebe (Neuroektoderm) Nebennierenmark Hypophyse Bindegewebe von Kopf und Gesicht Augen, Ohren