Muskelschäden: Tor zur Therapie aufgestoßen?

27. August 2014
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Muskelstammzellen sind für die Reparatur von Muskelschäden unverzichtbar. Alle Versuche, diese Zellen des Menschen therapeutisch zu nutzen, sind bisher jedoch fehlgeschlagen. Wissenschaftler zeigten jetzt, wie es dennoch funktionieren könnte.

„Muskelstammzellen, die wir auch Satellitenzellen nennen, können nach jahrzehntelanger Ruhe in ihrer Stammzellnische erwachen und einen geschädigten Muskel reparieren“, erläutert Prof. Spuler vom Experimental and Clinical Research Center (ECRC) des Max-Delbrück-Centrums (MDC) und der Berliner Charité. Satellitenzellen sind auch bei Menschen mit schweren Muskelerkrankungen aktiv, etwa bei der Muskeldystrophie Duchenne, einer schweren, genetisch bedingten Erkrankung, bei der sich die Muskeln abbauen. „Doch irgendwann ist das Reservoir an Muskelstammzellen erschöpft und der Muskelabbau kann nicht mehr gestoppt werden“, so Prof. Spuler.

Alle Versuche, mit der Transplantation von Satellitenzellen bei Patienten mit Muskeldystrophie Duchenne Muskeln wieder aufzubauen, sind gescheitert. Die transplantierten Zellen sind nicht lebensfähig. Wenig erfolgreich war auch der Einsatz anderer Zellen, die ebenfalls das Potential haben, Muskeln zu regenerieren. Diese Zellen können nur in begrenztem Maß Muskelgewebe reparieren. Aber wie kann es gelingen, das körpereigene Selbsterneuerungs- und Wiederaufbaupotential von Satellitenzellen doch noch zu nutzen?

Im Rahmen eines Verbundprojekts zu Satellitenzellen (SatNet) wurde unter anderem untersucht, weshalb Satellitenzellen schnell ihr Regenerationspotential verlieren, wenn sie in Zellkultur gehalten werden. Daraus entstand die Idee, Satellitenzellen zusammen mit dem sie umgebenden Muskelgewebe zu kultivieren und zu sehen, ob die Zellen, wenn ihr vertrautes Milieu erhalten bleibt, möglicherweise besser regenerieren.

Muskelbiopsien von jungen und von alten Spendern

Von Neurochirurgen des Helios Klinikums Berlin-Buch erhielten die Forscher von Patienten im Alter zwischen 20 und 80 Jahren frische Gewebeproben von Oberschenkelmuskeln. Aus den Biopsien gewannen sie über 1.000 Muskelfaserfragmente, jedes etwa 2-3 Millimeter lang. Für die Forscher ist bemerkenswert, dass die Anzahl der Stammzellen in den einzelnen Gewebeproben unabhängig vom Alter des Spenders war und dass sich aus wenigen Satellitenzellen tausende von Myoblasten entwickelten. Diese Zellen fusionieren nach weiteren Entwicklungsschritten zu Muskelfasern.

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Muskelzelle (rot) mit Muskelstammzellen des Menschen (grün). © Andreas Marg / ECRC)

„Satellitenzellen brauchen ihr ,Hausʽ um sich herum“

Prof. Spuler und ihre Mitarbeiter kultivierten die Muskelfaserfragmente mit den Satellitenzellen zunächst für bis zu 3 Wochen. In dieser Zeit vermehrten sich die Satellitenzellen um das 20- bis 50fache, aber auch zahlreiche Bindegewebszellen entwickelten sich in diesen Kulturen. Um das zu verhindern, unterzogen sie die Muskelfragmente gleichzeitig einer Hypoxie und einer Hypothermie bei 4 Grad Celsius. Unter diesen Bedingungen können nur Satellitenzellen in ihrer Stammzellnische überleben, nicht aber die Bindegewebszellen. „Offenbar erhalten die Satellitenzellen im eigenen ,Hausʽ die notwendige Versorgung“, so Dr. Marg.

Satellitenzellen des Menschen kultiviert und vermehrt

So ist es den Forschern mit ihren Versuchen gelungen zu zeigen, dass es möglich ist, Satellitenzellen des Menschen zu kultivieren, zu vermehren und ihr Regenerationspotential für einige Wochen zu erhalten. Damit haben sie eine wichtige Voraussetzung für die Nutzung patienteneigener Zellen für die Therapie geschaffen.

Erster Erfolg in Mäusen

Ihren Therapieansatz untersuchten die Forscher dann in Mäusen, deren Muskelregeneration durch Bestrahlung unterbunden worden war. In den vorderen Schienbeinmuskel transplantierten sie Muskelfragmente mit den darin enthaltenen Satellitenzellen, die sie nach Hypothermie für 2 Wochen in Zellkultur gehalten hatten. Und es zeigte sich, dass die Muskeln der Tiere, die mit diesen Faserfragmenten behandelt wurden, besonders gut regenerierten.

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Muskelstammzellen (grün) vermehren sich in Muskelzellen (rot) um das 20-50fache, wenn sie bei 4 Grad Celsius in Kultur gehalten werden. Das Photo zeigt sie nach drei Wochen in der Zellkultur. © Andreas Marg / ECRC)

Ziel: Satellitenzellen mit Gentherapie zu koppeln

Doch mit der Transplantation von Muskelfragmenten allein kann eine genetisch bedingte Muskelerkrankung nicht erfolgreich behandelt werden. Prof. Spuler dazu: „Die Idee ist deshalb, die Satellitenzellen zusätzlich mit einem gesunden Gen zu bestücken, das den Gendefekt repariert, und sie dann mit Hilfe eines nicht-viralen Gentaxis in die zu behandelnden Muskeln einzubringen.“ Dass das im Prinzip geht, haben Prof. Spuler und ihre Mitarbeiter in einem ersten Versuch mit einem „Reporter-Gen“ in der Petrischale gezeigt. Es leuchtet grün, wenn es in die Satellitenzelle eingebracht wurde. Als Gentaxi nutzten sie das Transposon „Dornröschen“ – ein springendes Gen, das seinen Ort im Genom verändern kann.

Bevor die von Prof. Spuler und ihrer Gruppe entwickelte Methode für Patienten nutzbar gemacht werden kann, müssen aber noch einige Hürden genommen werden. Bislang gelingt die Transplantation in kleinen Mäusemuskeln. Ob diese Technik auch in großen Oberschenkelmuskeln des Menschen angewendet werden kann, die unter Umständen durch eine Muskelkrankheit stark verändert sind, wollen die Wissenschaftler und Ärzte in klinischen Versuchen überprüfen.

Originalpublikation:

Human satellite cells have regenerative capacity and are genetically manipulable
Andreas Marg1
Helena Escobar et al.; Journal of Clinical Investigation, doi: 10.1172/JCI63992; 2014

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