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Mit zunehmendem Alter verlieren Stammzellen ihre Fähigkeit, sich zu teilen
Sämtliche Zellen in unseren Organen stammen aus Stammzellen. Sie teilen sich, und die daraus entstehenden Tochterzellen entwickeln sich zu spezifischen Gewebezellen, die wiederum das Gehirn, die Lunge oder das Knochenmark bilden. Mit zunehmendem Alter jedoch verlieren die Stammzellen lebender Organismen ihre Fähigkeit, sich zu teilen. Viele von ihnen verfallen dann in einen dauerhaften Zustand der Stille.
Neuer Ansatz für die Entwicklung von Stammzellentherapien
Wissenschaftler des Luxembourg Centre for Systems Biomedicine (LCSB) und des Deutschen Krebsforschungszentrums (DKFZ) konnten jetzt Stammzellen im Gehirn alternder Mäuse verjüngen. Diese revitalisierten Stammzellen verbessern die Regeneration von verletzten oder erkrankten Bereichen im Gehirn alter Mäuse. Die Forscher gehen davon aus, dass ihr Ansatz der regenerativen Medizin neue Impulse verleihen und die Entwicklung von Stammzelltherapien erleichtern wird.
Um möglichst genaue Rechenmodelle für das Verhalten von Stammzellen zu erstellen, hat die von Prof. Antonio del Sol geleitete Gruppe für Computational Biology des LCSB einen neuartigen Ansatz angewendet. „Stammzellen leben in einer Nische, in der sie ständig mit anderen Zellen und extrazellulären Substanzen interagieren“, sagt Antonio del Sol.
Neues computergestütztes Modell ermittelt die entscheidenden Proteine
Wie der Wissenschaftler erklärt, ist es äußerst schwierig, die Komplexität der molekularen Wechselwirkungen am Computer zu modellieren. „Also haben wir die Perspektive gewechselt. Wir haben uns nicht mehr mit der Frage beschäftigt, welche äußeren Faktoren die Stammzellen beeinflussen, sondern wir sind der Frage nachgegangen, wie der innere Zustand einer Stammzelle in ihrer genau definierten Nische aussieht “, so der Forscher.
Dieser Ansatz bildete die Grundlage eines neuen Rechenmodells, das von Dr. Srikanth Ravichandran von der Computational Biology Group entwickelt wurde: „Unser Modell kann bestimmen, welche Proteine für den Funktionszustand einer bestimmten Stammzelle in ihrer Nische verantwortlich sind, ob sie sich also teilt oder teilen wird oder aber in einem Zustand der Stille bleibt. Das Modell beruhe auf den Informationen darüber, welche Gene gelesen würden, erklärt er. Mit Hilfe moderner zellbiologischer Technologien lasse sich das für jede Zelle sehr genau bestimmen.
Molekül sFRP5 blockiert die Vermehrung der Stammzellen
Warum sich die meisten Stammzellen im Gehirn alter Mäuse in einem Ruhezustand befinden, war bisher nicht bekannt. Mit ihrer computergestützten Analyse haben die Forscher am LCSB ein Molekül namens sFRP5 identifiziert, das die neuronalen Stammzellen in alten Mäusen inaktiv hält. Es verhindert die Vermehrung der Stammzellen, indem der für die Zelldifferenzierung entscheidende Weg für den Stoffwechselprozess namens „Wnt“ blockiert wird.
An dieser Stelle kamen die Forscher des Deutschen Krebsforschungszentrums mit ihrer langjährigen Expertise auf dem Gebiet neuralen Stammzellen hinzu: Sie untersuchten die Stammzellen zunächst im Labor und dann direkt in Mäusen. Dabei konnten sie die rechnerische Vorhersage experimentell bestätigen: Sobald die Wirkung von sFRP5 aufgehoben war, begannen die ruhenden Stammzellen damit, sich wieder zu vermehren. Somit standen sie wieder für die Regenerationsprozesse im alternden Gehirn zur Verfügung.
Frischzellenkur für die Stammzellen
„Mit der Deaktivierung von sFRP5 durchlaufen die Zellen eine Art Verjüngungskur“, sagt del Sol: „Dadurch wird das Verhältnis von aktiven zu ruhenden Stammzellen im Gehirn alter Mäuse fast genauso gut wie bei jungen Tieren.“
Die Ergebnisse, die auch in der Fachzeitschrift „Cell“ veröffentlicht wurden, seien ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Einführung stammzellenbasierter Therapien, wie beispielsweise bei neurodegenerativen Erkrankungen, erklärt der wissenschaftliche Leiter. „Wir konnten zeigen, dass es mit Computermodellen möglich ist, die wesentlichen Merkmale zu identifizieren, die für einen bestimmten Zustand von Stammzellen charakteristisch sind.“ Dieser Ansatz beschränkt sich nicht auf die Untersuchung des Gehirns, sondern lässt sich auch bei Stammzellen anderer Organe anwenden. Del Sol hofft nun, dass sich dadurch neue Wege für die regenerative Medizin eröffnen.
Autor: LCSB
Editor: Uwe Hentschel
