(30. Januar 2014) Soeben sind in Nature zwei Publikationen erschienen, die es wirklich in sich haben. Beide stammen von der japanischen Wissenschaftlerin Haruko Obokata.
Die Autorin hat anscheinend eine äußerst unkonventionelle neue Methode entdeckt, um pluripotente Stammzellen herzustellen (siehe Bericht im Guardian zur Entstehungsgeschichte der Entdeckung).
Es reicht demnach aus, CD45-positive Leukozyten, oder jeden beliebigen anderen Zelltyp, einer eine Woche alten Maus für 30 Minuten in saurer Umgebung (pH 5,7) zu halten, um aus den Zellen pluripotente Stammzellen zu machen (die Original-Arbeit ist hier). Auch Scherstress durch das Pipettieren soll den gleichen Effekt haben. Anders als bei der bereits bekannten induzierten Pluripotenz (iPS) ist keine erzwungene Genexpression notwendig. Die so produzierten Zellen sind zwar nur für eine kurze Zeit, nämlich sieben Tage lang, lebensfähig und pluripotent. Sie können aber unter bestimmten Zellkulturbedingungen doch zu einer pluripotenten Stammzelllinie werden.
Komplette Embryos
Obokatas Zellen erfüllen alle wichtigen Kriterien für Pluripotenz: sie exprimieren fast alle relevanten Schlüsselgene und bilden Teratoma, also Tumore, die nur aus pluripotenten Stammzellen entstehen können. Was ganz besonders wichtig ist: injiziert in eine Blastozyste, integrieren sich diese Zellen zusammen mit den Blastozysten-Stammzellen in Embryochimären und produzieren Mäuse. Tatsächlich konnte durch Spezial-Assays nachgewiesen werden, dass aus diesen Zellen auch ohne Chimärenbildung komplette Embryos entstehen können.
Beeindruckt? Das ist noch nicht alles. In der zweiten Publikation zeigt die Autorin, dass diese sogenannten STAP (stimulus-triggered aquisition of pluripotency)-Zellen mehr können als alle anderen bekannten pluripotenten Zellen: sie können nicht nur den gesamten Embryo rekonstruieren, sondern gleichzeitig auch extra-embryonale Strukturen produzieren. Das kann eigentlich keine pluripotente Zelle, egal ob sie aus embryonalen Blastozysten oder durch Induzierte Pluripotenz hergestellt wurde. Die STAP-Zellen tragen nämlich gleichzeitig die Marker der pluripotenten Stammzellen und der Trophoblast-Zellen. Während pluripotente embryonale Stammzellen auf den Trophoblast angewiesen sind, um einen Embryo zu erzeugen, sind die STAP-Zellen demnach super-pluripotent, denn sie bilden sowohl den Embryo als auch den Trophoblasten – also einen komplett lebensfähigen Embryo samt Plazenta. Für einen Stammzellforscher bedeutet dies in der Theorie, dass STAP-Zellen damit offenbar nichts weniger sind als totipotent (obwohl die Autorin das so nie ausspricht). Totipotenz ist der Heilige Gral der Stammzellforschung, nie außerhalb der befruchteten Oozyte und der ganz frühen embryonalen Mehrzellstadien beobachtet, geschweige denn in Zellkultur erzeugt.
Nobelpreis ist drin
Ich als Stammzellbiologe bin daher überwältigt. Wenn das alles stimmt, dann ist es ein größerer Durchbruch in der Biologie als Klonen oder iPS-Reprogramming und der Nobel-Preis ist Haruko Obokata sicher. Es würde nämlich bedeuten, dass jede Zelle jederzeit, einfach so und von alleine auf das früh-embryonale, quasi-totipotente Stadium zurückgehen kann, ausgelöst durch eine kurzfristige Änderung der Umweltbedingungen. Vieles in diesen zwei Publikationen klingt so unglaublich, dass man wirklich nicht weiß, wie man damit umgehen soll. Natürlich wirken die Daten solide; das müssen sie ja, um bei Nature publiziert zu werden. Aber viele Hintergründe sind einfach unverständlich.
Erstens die kaum nachvollziehbaren Zeitfenster und Zelltypen:
Es werden eine Woche alte Mäuse verwendet, also keine erwachsenen Tiere. Das leuchtet einem Stammzellbiologen ein, weil das Stammzellpotenzial in den jungen Organismen natürlich viel ausgeprägter als in erwachsenen ist. Andererseits aber verwendet die Autorin keine neugeborenen Mäuse oder post-Gastrulations-Embryos, obwohl man doch bei Embryos, was Stammzellen angeht, eigentlich noch viel bessere Ergebnisse erwartet hätte. Wenn es tatsächlich nur bei einer Woche alten Mäusen klappt, und weder bei älteren noch bei jüngeren Tieren, wäre dies biologisch kaum zu erklären.
Obwohl alle Zellen, also meist terminal differenzierte und sich kaum noch teilende Zellen aus Hirn, Muskel, Leber und so weiter nach der Säure-Behandlung mit sehr ähnlicher Effizienz pluripotent wurden, verwendete Obokata fast ausschließlich Leukozyten, die für das Antigen CD45 positiv sind. Diese CD45+ Leukozyten haben ebenfalls kein Stammzellpotenzial mehr und teilen sich kaum; damit sollten wohl die skeptischen Reviewer überzeugt werden, die vermutlich Kontaminationen durch somatische Stammzellen befürchtet hatten (dabei wäre es genauso aufregend, wenn diese Zellen bei der innovativen Methode quasi-Totipotenz erlangten). Dagegen haben die viel heißeren Kandidaten, die CD34-positiven hematopoietischen Stammzellen, kaum STAP-Zellen produziert (< 2%).
Kränkelnde STAPs
Zweitens erklärt die Autorin freimütig, dass die STAP-Zellen schon an Tag 7 stark vom Zelltod betroffen sind und schnell ihre Pluripotenz verlieren. Und die Zellteilungsrate ist eh kaum wahrnehmbar. Dennoch, diese sterbenden und differenzierenden Zellen sind fähig, komplette Embryos samt Plazenta zu produzieren, während viele iPS-Zelllinien, die in Zellkultur unbegrenzt lebens- und teilungsfähig sowie pluripotent sind, oft an der Chimärenbildung scheitern. Da die STAP-Zellen die enzymale Dissoziation nicht überleben, hat die Autorin mit einem Mini-Skalpell kleingehackte Zellblöcke in Blastozysten injiziert. Normale embryonale/pluripotente Stammzellen hätten dies aber nicht überlebt und keine Chimäre gebildet. Für die kränklichen STAPs dagegen kein Problem, sogar ein kompletter lebensfähiger Embryo mit Plazenta hat sich aus diesen hineingestopften Zellklumpen zusammengesetzt.
Drittens: Obwohl die STAP-Zellen schnell sterben und differenzieren, konnte die Autorin aus ihnen pluripotente Zelllinien etablieren (durch transiente Zugabe des Hormons ACTH, wie von einem der Ko-Autoren der Studie zuvor als Methode für Stammzellderivation publiziert). Aber dann verlieren die STAP-Zellen die einmalige „Totipotenz“ und werden zu stinklangweiligen pluripotenten Stammzellen. Das heißt, man könnte die STAPs nicht unabhängig im Rahmen des wissenschaftlichen Austauschs im eigenen Labor auf deren einmalige Fähigkeiten hin untersuchen. Man muss also alle Experimente von Anfang an reproduzieren. Darauf warte ich erst mal, bevor ich meine Vorstellungen von Biologie über Bord werfe.
Denn, viertens: wenn kurzfristige pH-Änderungen oder Scherstress wirklich solch einen Effekt hätten, würde dies nicht eine immense Krebsgefahr bedeuten? Mal ganz plump gefragt: Warum entstehen bei uns im Magen (Säure) oder in der Aorta (Scherstress) keine Teratome aus STAP-Zellen? Nicht mal Magenkrebszellen sind Teratom-ähnlich. Vielleicht sind aber wirklich nur die CD45-positiven Leukozyten der eine Woche alten Mäuse betroffen, und am Tag 8 nach der Geburt sind sie schon wieder vor Teratomen sicher. Nichts ist mehr unmöglich.
Leonid Schneider
Foto: aus Maurer et al, PLoS ONE. 2008; 3(10): e3451.
(zur Illustration, keine Abbildung aus Obokata et al. )