Schlaganfall: Wie könnten Stammzellen helfen?

Factsheet Schlaganfall

Schlaganfälle sind weltweit die zweithäufigste Todesursache und die Hauptursache von Behinderungen in Europa. Ein Schlaganfall wird ausgelöst, wenn die Blutzufuhr zu einem Teil des Gehirns stark verringert wird, mit oft schwerwiegenden körperlichen Folgen. Die Genesung ist abhängig von Schwere und Ort des Schlaganfalls: Rund ein Drittel der Patienten erholt sich wieder weitgehend, aber bei den meisten bleiben dennoch einige Symptome dauerhaft zurück. In manchen Fällen verursachen Schlaganfälle schwere Behinderungen. Könnte hier eine Stammzellentherapie helfen?

Schwere Durchblutungsstörungen, die bei einem Schlaganfall auftreten, können Teile des Gehirns schwer schädigen oder sogar tödlich verlaufen.

Jeder kann in jedem Alter einen Schlaganfall erleiden, doch Alter, familiäre Krankengeschichte und Lebensstil können das Schlaganfallrisiko beeinflussen.

Die beste Behandlung für einen Schlaganfallpatienten besteht darin, dass möglichst schnell die Durchblutung wiederhergestellt wird.

Neurale Stammzellen (eine im Gehirn vorkommende Stammzellart) können sich in jede Zelle im Gehirn verwandeln und reparieren kleinere Hirnschädigungen im Rahmen des natürlichen Reparaturvorgangs. Die Forscher hoffen, mit neuralen Stammzelltherapien zumindest einen Teil der Hirnschäden von Schlaganfallpatienten reparieren zu können.

Die Wissenschaftler möchten die Signale verstehen, über die neurale Stammzellen gesteuert werden, damit bessere Behandlungsoptionen entwickelt werden können.

Die Forscher arbeiten derzeit an der Entwicklung von Medikamenten, welche die bereits im Gehirn sitzenden neuralen Stammzellen anregen, sich zu vervielfältigen, in die geschädigten Areale zu wandern und den Reparaturprozess einzuleiten.

In unserem Gehirn gibt es nur eine begrenzte Anzahl neuraler Stammzellen. Große Mengen neuraler Stammzellen können zwar mit iPS im Labor hergestellt werden, doch diese Zellen könnten Tumoren oder noch weitere Hirnschäden verursachen, wenn etwas bei ihrer Produktion schief geht. Weitere Studien müssen zeigen, dass Zellen aus dem Labor sowohl sicher als auch wirksam sind.

Neurale Stammzelltherapien, die auf eine Wiederherstellung von Teilen des Gehirns abzielen, müssen auch in der Lage sein, das Gefäßsystem wiederaufzubauen (und so für eine gute Durchblutung zu sorgen) und die komplizierten, komplexen Vernetzungen der Nervenzellen neu zu bilden. Natürliche Reparaturprozesse der neuralen Stammzellen können hierzu teilweise in der Lage sein, doch die Forscher müssen noch viel mehr darüber lernen, wie sie neuralen Stammzellen bei diesem Wiederaufbau helfen können.

Ein Schlaganfall schädigt große Areale des Gehirns. Auch wenn Behandlungen und Stammzelltherapien bei der Wiederherstellung der Motorik des Patienten helfen und Teile des Gehirns reparieren könnten, sind schwer geschädigte Areale vielleicht für immer zerstört.

CT scan of brain

Zu einem Schlaganfall kommt es, wenn die Blutzufuhr zu einem oder mehreren Teilen des Gehirns verringert oder komplett unterbrochen wird. Die Blockade kann vorübergehend oder dauerhaft sein und auf zwei Arten entstehen:

  • Bei einem ischämischen Schlaganfall blockiert ein Blutgerinnsel die Blutzufuhr zum Gehirn
  • Bei einem hämorrhagischen Schlaganfall platzt ein Blutgefäß im Gehirn, und es kommt zu Einblutungen

Um richtig zu funktionieren, müssen alle Bereiche des Gehirns gut durchblutet sein. Wird der Blutfluss eingeschränkt oder ganz gestoppt, ist auch die Versorgung der Gehirnzellen mit lebenswichtigen Nährstoffen und Sauerstoff unterbrochen. Sie werden geschädigt oder sterben ab. Die körperlichen Auswirkungen hängen davon ab, welches Gehirnareal geschädigt wurde und wie lange die Blockade bestehen bleibt. Ein Schlaganfall kann Bewegungen, Sprache, gedankliche Prozesse und Gedächtnis beeinträchtigen. Er kann auch Lähmungen in einem oder mehreren Körperteilen oder den Verlust der Kontrolle über Körperfunktionen hervorrufen. Rund 40% der von Schlaganfall Betroffenen erleiden bleibende Behinderungen, bis hin zur Pflegebedürftigkeit. Bei etwa einem Drittel der Patienten bleiben keine Funktionsausfälle zurück.

Ein Schlaganfall kann jeden treffen und in jedem Alter auftreten. Es gibt jedoch einige wichtige Risikofaktoren, beispielsweise steigt das Risiko mit zunehmendem Alter. Bestimmte ethnische Gruppen haben ein erhöhtes Risiko, und ein verstärktes Auftreten von Schlaganfällen in der Verwandtschaft ist ebenfalls ein Indiz. Es gibt aber auch Risikofaktoren, die sich durch Änderungen der Lebensweise abmildern lassen: Bluthochdruck sollte immer behandelt werden, auch eine gesunde, fett- und salzarme Ernährung, Aufgabe des Rauchens und ausreichend Bewegung zählen dazu.

Eine rasche medizinische Erstversorgung ist der wichtigste Faktor bei einem Schlaganfall. Je rascher die Gehirndurchblutung wieder hergestellt werden kann, desto geringer die Hirnschäden und desto besser die Chancen auf eine Genesung. Patienten, die innerhalb von drei bis vier Stunden nach Einsetzen des Schlaganfalls im Krankenhaus eintreffen, können mit Blutgerinnsel auflösenden Medikamenten behandelt werden. Dadurch wird die Behinderung erheblich reduziert und die langfristige Lebensqualität verbessert. Bei Verdacht auf Schlaganfall also unbedingt sofort ärztliche Hilfe suchen! Die Deutsche Schlaganfall Hilfeerklärt auf verständliche Weise, wie sich die Symptome eines Schlaganfalls erkennen lassen und was zu tun ist.

Nach dem Schlaganfall konzentriert sich die Therapie darauf, die unbeschädigten Hirnareale zu nutzen, um verlorene Fähigkeiten wie Gehen oder Sprechen neu zu lernen (Neurorehabilitation). Dies umfasst ein breites Therapiespektrum mit Neurologie, Logopädie, allgemeiner Pflege und Physiotherapie. Manchmal sind die gesunden Hirnbereiche in der Lage, die Aufgaben beschädigter Areale zu übernehmen. Leider ist es so, dass schwer geschädigte Hirnbereiche sich nie wieder erholen, da die zerstörten Hirnzellen nicht ersetzt werden können. Hier hoffen Forscher, mit Hilfe von Stammzellen die körpereigenen Reparaturmechanismen zu unterstützen.

Ein Grund, weshalb die Behandlung von Schlaganfallpatienten sich so schwierig gestaltet, besteht darin, dass viele verschiedene Zelltypen im Gehirn geschädigt werden. Um eine Therapie zum Ersatz zerstörter oder geschädigter Zellen zu entwickeln, wäre also Folgendes nötig:

  • Die Fähigkeit, viele verschiedene Arten von Hirnzellen, oder die geeignete Art von Stammzellen zur Produktion der benötigten Hirnzellen, zu kultivieren
  • Der Nachweis, dass die kultivierten Zellen ordnungsgemäß funktionieren
  • Das Wissen, wie man diese Zellen in die Lage versetzt, sich ebenso wie im gesunden Gehirn zu organisieren, so dass sie komplexen Verbindungen zwischen einzelnen Hirnarealen wieder herstellen können; außerdem Anbindung der Zellen an die Blutversorgung des Gehirns

Das sind enorme Herausforderungen. Seit vielen Jahren arbeiten Wissenschaftler an so genannten Zellersatztherapien bei Schlaganfall, und die Forschung geht weiter. Parallel werden aber auch alternative Einsatzmöglichkeiten von Stammzellen bei der Schlaganfalltherapie untersucht. Zum Beispiel könnte die Stammzellforschung zur Entwicklung neuer Wirkstoffe eingesetzt werden, welche die hirneigenen Reparaturmechanismen und die vorhandenen Stammzellen stimulieren, um die zur Genesung erforderlichen neuen Zellen zu produzieren.

Die ersten Studien zur Entwicklung von Zellersatztherapien bei Schlaganfall erfolgten an Hirnzellen, die aus einer Teratokarzinom genannten Tumorart isoliert wurden. Die Forscher entdeckten, dass sich Stammzellen des Teratokarzinoms im Labor zur Erzeugung von Neuronen (Nervenzellen) nutzen ließen. Diese laborgezüchteten Nervenzellen wurden dann in die Gehirne von Ratten, die einen Schlaganfall erlitten hatten, verpflanzt. Das Ergebnis: Die verpflanzten Zellen konnten sich in das Gehirn der Ratten integrieren. Aus dieser Forschung entstand im Jahr 2000 eine klinische Studie zur Prüfung der Sicherheit von aus menschlichen Teratokarzinomen gewonnenen Neuronen, die in das Gehirn von Schlaganfallpatienten verpflanzt wurden. Obwohl jedoch diese erste klinische Studie ergab, dass die transplantierten Zellen überlebten und bei einigen wenigen Patienten vielleicht sogar gewisse positive Wirkungen zeigten, waren bei einer weiteren Studie im Jahr 2005 keine Besserungen feststellbar. Die Herkunft dieser Zellen aus Tumorgewebe in Verbindung mit der fehlenden Besserung bei Patienten führte dazu, dass sich die Forschung anderen Stammzellquellen zuwandte.

Hirnstammzellen, so genannte neurale Stammzellen, zählen zu den wichtigsten Typen von Stammzellen, die zur Behandlung von Schlaganfall erforscht werden. Diese Stammzellen können sich teilen, vermehren und zu allen im Gehirn vorkommenden Zelltypen ausdifferenzieren. Sie lassen sich aus fetalem Gewebe gewinnen sowie aus bestimmten Teilen des erwachsenen Gehirns. Beide Quellen liefern jedoch nur eine sehr begrenzte Anzahl an Zellen. Außerdem haben sie den Nachteil, dass sie nicht identisch mit den körpereigenen Zellen des Patienten sind. Bei Transplantationen ist also mit Abstoßungsreaktionen zu rechnen. Zur Vorbeugung müssen Medikamente zur Unterdrückung des Immunsystems verabreicht werden. Darüber hinaus ist die Verwendung von fetalem Gewebe ethisch äußerst umstritten. Die Gewinnung neuraler Stammzellen aus dem erwachsenen Gehirn wiederum ist ein schwerer Eingriff, der mit großen Risiken für den Spender verbunden ist.

Trotz der Herausforderungen bei der Gewinnung neuraler Stammzellen konnten in Studien an Nagern vielversprechende Ergebnisse erzielt werden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass bei Injektion ins Gehirn die neuralen Stammzellen selektiv geschädigte Bereiche ansteuern können. Dort angelangt, können sie beim Ersatz geschädigter Gewebe helfen und die hirneigenen Reparaturmechanismen auslösen, indem sie Substanzen freisetzen, die entzündungshemmend wirken und die Überlebenschancen vorhandener Neuronen steigern. Dennoch bleibt die Verpflanzung neuraler Stammzellen ins Gehirn eine äußerst schwierige Angelegenheit und langfristige Herausforderung.

Andere Forschungsergebnisse lassen die Vermutung zu, dass auch ein anderer Ansatz hilfreich sein könnte. Es gibt Hinweise, dass bestimmte Chemikalien dazu dienen können, die bereits im Gehirn vorhandenen neuralen Stammzellen zur Teilung, Vermehrung und Wanderung zu geschädigten Bereichen anzuregen. Dies könnte neue Wege zur medikamentösen Behandlung von Schlaganfall eröffnen.

 

Embryonale Stammzellen und induzierte pluripotente Stammzellen (iPS Zellen) werden bereits genutzt, um im Labor neurale Stammzellen in großen Mengen zu erzeugen. Embryonale Stammzellen sind ebenso wie iPS Zellen pluripotent – sie können alle Arten von Körperzellen erzeugen. Das Verständnis, wie sich dieser Vorgang im Sinne der Produktion neuraler Stammzellen steuern lässt, wäre die Lösung für manche Probleme, die sich bei der Suche nach Zellquellen für therapeutische Zwecke stellen. Die vielfältigen Möglichkeiten von embryonalen Stammzellen und iPS Zellen bergen jedoch auch Risiken: Sie können auch Tumore hervorbringen. Dieses Risiko muss zuerst unter Kontrolle gebracht werden, ehe klinische Studien zu neuen Behandlungsmöglichkeiten für Schlaganfallpatienten stattfinden können.

Die ersten Anwendungen embryonaler Stammzellen in der Schlaganfallforschung reichen zurück ins Jahr 2005, als aus embryonalen Stammzellen erzeugte neurale Stammzellen in die Gehirne von Ratten injiziert wurden. Es zeigte sich, dass die verpflanzten neuralen Stammzellen verschiedene Arten spezialisierter Neuronen (Nervenzellen) hervorbrachten. 2006 dann bewies eine Forschungsgruppe aus Deutschland, dass so erzeugte neurale Stammzellen nicht nur überlebten und im Gehirn neue Nervenzellen produzierten, sondern dass Letztere sogar Verbindungen zu den vorhandenen Nervenzellen im Gehirn aufbauen konnten. 2008 und 2009 zeigten verschiedene Forschungsgruppen, dass transplantierte Neuronen aus menschlichen embryonalen Stammzellen in der Lage waren, sich in die Gehirne von Ratten zu integrieren, die einen ischämischen Schlaganfall erlitten hatten. Nach der Verpflanzung beobachteten die Forscher eine Verbesserung der Bewegungen bei den Tieren. In jüngerer Zeit berichtete eine Studie von schwedischen und deutschen Forschungsgruppen ähnliche Ergebnisse bei Mäusen und Ratten mit neuralen Stammzellen aus menschlichen iPS Zellen.

Trotz dieser vielversprechenden Laborergebnisse ist noch sehr viel mehr Forschung nötig, ehe der Einsatz von embryonalen Stammzellen oder iPS Zellen bei menschlichen Schlaganfallpatienten erwogen werden kann. Es muss genau geklärt werden, wie sich die pluripotenten Stammzellen so steuern lassen, dass sie nur den gewünschten Typ neuraler Zellen hervorbringen. Ferner sind gefahrlose und wirkungsvolle Transplantationsverfahren und die Untersuchung der langfristigen Folgen einer Verpflanzung notwendig.

Mesenchymale Stammzellen (MSCs) werden derzeit in klinischen Studien zum Schlaganfall mit am häufigsten eingesetzt. Sie lassen sich recht einfach aus dem Knochenmark von Patienten gewinnen und kultivieren und können Fett-, Knorpel- und Gewebezellen produzieren. MSCs lassen sich auch aus anderen Quellen wie Nabelschnur oder Fettgewebe gewinnen, wobei genaue Identifizierung und Wesen solcher Zellen noch umstritten sind.

MSCs aus dem Knochenmark und Zellen aus Fettgewebe wurden bei Ratten mit schlaganfallähnlichen Hirnschäden bereits versuchsweise ins Gehirn oder eine Beinvene injiziert. Bei diesen Studien zeigten die Tiere, denen Zellen injiziert wurden, eine Verkleinerung des geschädigten Hirnareals im Vergleich zur Kontrollgruppe. Die injizierten Zellen steuern anscheinend das geschädigte Hirnareal an, was jedoch nicht als entscheidend für die positive Wirkung angesehen wird, da MSCs keine neuen Hirnzellen erzeugen können. Man nimmt vielmehr an, dass die injizierten MSCs Substanzen erzeugen und freisetzen, die entzündungshemmend wirken und die Selbstheilungsprozesse im Gehirn stimulieren. Ehe hieraus wirksame Therapien entwickelt werden können, ist weitere Forschung nötig, um die möglichen Mechanismen vollständig zu durchschauen.

2005 berichtete eine Forschungsgruppe in Südkorea über eine klinische Studie mit fünf Patienten, denen MSCs ins Gehirn injiziert wurden. Nach einem Jahr ließ sich aus den Ergebnissen schließen, dass die Injektion von MSCs risikolos war, es gab jedoch keine eindeutigen Hinweise dafür, dass sich der Zustand der Patienten durch die MSCs verbessert hatte. Dieselben Wissenschaftler berichteten 2010 über eine ähnliche Studie, bei der eine größere Anzahl Probanden MSCs erhalten hatte und anschließend fünf Jahre lang nachuntersucht wurden. Die Ergebnisse ähnelten sehr stark der ersten Studie. Es bleibt daher die Frage offen, ob MSCs Schlaganfallpatienten tatsächlich einen Vorteil bieten.

Bisher gibt es noch keine Stammzelltherapie bei Schlaganfall. Weltweit wird an verschiedenen Typen von Stammzellen geforscht, um zu untersuchen, wie das Gehirn funktioniert und wie sich vielleicht eines Tages Schäden durch Schlaganfall reparieren lassen. Einige frühe klinische Studien laufen bereits. Dazu gehört die Studie PISCES des britischen Unternehmens ReNeuron, bei der neurale Stammzellen aus fetalem Gewebe erzeugt wurden. 2012 gab das Unternehmen die Ergebnisse einer sehr frühen klinischen Studie bekannt, bei der an fünf Patienten erprobt wurde, ob diese Zellen gefahrlos ins Gehirn injiziert werden können. Keiner der fünf Probanden zeigte irgendwelche unerwünschten Ereignisse. ReNeuron stellt nun bei der britischen Regierung einen Genehmigungsantrag für eine Studie mit größerer Patientenzahl, um zu untersuchen, ob die Transplantation dieser Art neuraler Stammzellen positive Wirkungen hat. In clinicaltrials.gov, dem US-amerikanischen Register klinischer Studien, sind weitere 25 klinische Studien aufgeführt, bei denen die Verwendung verschiedener Stammzellen zur Behandlung bei Schlaganfall getestet wurde. Die meisten wurden in China und den USA durchgeführt, einige wenige aber auch in Europa.

Zum möglichen Einsatz von Stammzellen bei der Behandlung von Schlaganfall sind noch viele Fragen offen, etwa: Welches ist die ideale Quelle für Stammzellen? Wie verpflanzt man sie am besten, bzw. können auch die bereits im Gehirn vorhandenen Stammzellen genutzt werden? Wie viele Zellen sind nötig, und wann ist der richtige Zeitpunkt für die Behandlung nach einem Schlaganfall? Welche Bedingungen sind genau erforderlich, um unter hohen Reinheits- und Sicherheitsstandards die richtige Art Stammzellen zu kultivieren? Diese und weitere Fragen sind Gegenstand laufender Forschungen.

Dieser Artikel wurde von Serafi Cambray erstellt und von Marco Bacigaluppi and Peter Sandercock rezensiert.

Die deutsche Übersetzung wurde im Auftrag vom German Stem Cell Network (GSCN) erstellt und von Ulrich Dirnagl rezensiert.

Hauptbild eines CT-Scans von Wellcome Images, das in der linken Hirnhälfte durch einen Schlaganfall geschädigte Bereiche zeigt. Weitere Bilder eines chronischen Schlaganfalls von Wellcome Images, von Neuronen aus embryonalen Stammzellen von Qi-Long Ying & Austin Smith und transplantierte neurale Stammzellen der Maus von Yirui Sun, Wellcome Images.