Stammzellen fördern Reparaturprozesse im Gehirn nach einem Schlaganfall

Menschliche Nervenvorläuferzellen im geschädigten Gehirn

Für ihre Experimente verwendeten die Forschenden sogenannte neurale Vorläuferzellen, die aus induzierten pluripotenten Stammzellen, kurz iPS-Zellen, gewonnen wurden. iPS-Zellen können aus gewöhnlichen menschlichen Körperzellen hergestellt werden. Durch eine spezielle Umprogrammierung erhalten diese Zellen Eigenschaften zurück, die es ihnen ermöglichen, sich in verschiedene Zelltypen zu entwickeln. Im vorliegenden Fall wurden daraus Vorläuferzellen des Nervensystems hergestellt.

Die Forschenden transplantierten diese Zellen lokal in das geschädigte Gehirngewebe von Mäusen nach einem Schlaganfall. Die Transplantation erfolgte in der Nähe des Infarktbereichs. Anschließend untersuchten sie, wie lange die Zellen überlebten und wie sie sich im Gehirn entwickelten. Nach mehr als fünf Wochen waren die transplantierten Zellen weiterhin nachweisbar. Sie hatten sich überwiegend zu reifen Nervenzellen entwickelt.

Neue Nervenzellen und Verbindungen zum vorhandenen Gewebe

Die Analyse zeigte, dass sich die transplantierten Vorläuferzellen vor allem in Nervenzellen mit GABAergen und glutamatergen Eigenschaften entwickelten. Daneben fanden sich auch Zellen mit Eigenschaften von Astrozyten und weiterhin vorhandenen Vorläuferzellen. Besonders interessant war für das Forschungsteam die Frage, wie die transplantierten Zellen mit dem bereits vorhandenen Hirngewebe kommunizieren.

Dazu untersuchten die Forschenden einzelne Zelltypen und ihre Genaktivität. Die Ergebnisse deuteten auf einen molekularen Austausch zwischen den transplantierten Zellen und dem geschädigten Gehirngewebe hin.

Bei GABAergen Nervenzellen wurden dabei unter anderem Signalwege im Zusammenhang mit Neurexinen, Neuregulinen, neuralen Zelladhäsionsmolekülen und SLIT identifiziert. Diese Signalwege stehen unter anderem mit neuronaler Kommunikation, der Ausbildung von Verbindungen und der Regeneration von Nervenstrukturen in Zusammenhang.

Das geschädigte Gehirn zeigt weitere Reparaturreaktionen

Die Wirkung der Zelltransplantation beschränkte sich nicht auf die Entwicklung neuer Nervenzellen. Bei den behandelten Mäusen beobachteten die Forschenden mehrere Veränderungen im geschädigten Hirngewebe. Dazu gehörten eine geringere Aktivierung von Mikrogliazellen, eine verstärkte Bildung beziehungsweise Reparatur von Blutgefäßen und eine verbesserte Integrität der Blut-Hirn-Schranke.

Auch eine verstärkte Neurogenese und Axonogenese wurden beobachtet. Die Blut-Hirn-Schranke spielt eine wichtige Rolle beim Schutz des Gehirns. Sie reguliert den Austausch zwischen dem Blutkreislauf und dem Nervengewebe. Nach einem Schlaganfall kann ihre Funktion beeinträchtigt sein.

Die Ergebnisse deuten deshalb darauf hin, dass die transplantierten Zellen nicht ausschließlich als Ersatz für verlorene Nervenzellen wirken. Vielmehr scheinen sie mit dem umliegenden Gewebe zu interagieren und mehrere regenerative Prozesse zu beeinflussen.

Bewegungen der Mäuse verbesserten sich

Neben den Veränderungen im Gehirngewebe untersuchten die Forschenden auch die Bewegungsfähigkeit der Tiere. Dafür kamen unter anderem computergestützte und Deep-Learning-basierte Verfahren zur Analyse des Gangbildes zum Einsatz. Die behandelten Mäuse zeigten eine verbesserte motorische Erholung.

Auch bei einem Test der Feinmotorik konnten die Forschenden eine Erholung beobachten. In einem sogenannten Horizontal-Ladder-Rung-Walk-Test erreichten die behandelten Tiere fünf Wochen nach dem Schlaganfall eine vollständige Erholung der untersuchten feinmotorischen Funktion.

Damit bestand ein Zusammenhang zwischen der Zelltransplantation, den beobachteten Veränderungen im Gehirngewebe und der funktionellen Erholung der Tiere.

Warum die Ergebnisse interessant sind

Das Gehirn besitzt nach einer schweren Schädigung nur begrenzte Möglichkeiten, zerstörte neuronale Netzwerke wiederherzustellen. Genau hier setzt die regenerative Medizin an. Anstatt ausschließlich die verbleibenden Funktionen durch Rehabilitation zu unterstützen, versuchen Forschende, Reparaturprozesse im geschädigten Nervensystem gezielt anzuregen.

Die aktuelle Studie liefert Hinweise darauf, dass transplantierte neurale Vorläuferzellen dabei mehrere Prozesse gleichzeitig beeinflussen können. Dazu gehören die Bildung und Reparatur von Blutgefäßen, Veränderungen der Entzündungsreaktion, die Bildung neuer Nervenzellen und Axone sowie die Kommunikation zwischen transplantierten und körpereigenen Zellen.

Noch keine Behandlung für Menschen

Trotz der vielversprechenden Ergebnisse handelt es sich um eine präklinische Untersuchung an Mäusen. Die Studie zeigt nicht, dass eine solche Stammzelltherapie bei Menschen nach einem Schlaganfall funktioniert. Bevor eine Anwendung beim Menschen möglich wäre, müssten zahlreiche weitere Fragen geklärt werden – insbesondere zur Sicherheit, zur langfristigen Entwicklung der transplantierten Zellen und zur geeigneten Form der Verabreichung.

Ein wichtiger Aspekt bei iPS-Zell-basierten Therapien ist außerdem die Kontrolle der transplantierten Zellen. Die Forschenden verweisen auf Entwicklungen sogenannter genetischer Sicherheitsschalter, mit denen sich Risiken eines unerwünschten Zellwachstums künftig möglicherweise reduzieren lassen.

Auch die Herstellung der verwendeten neuralen Vorläuferzellen wurde bereits unter definierten, tierproduktfreien Bedingungen durchgeführt. Nach Angaben der Forschenden kann dieses Verfahren grundsätzlich in Richtung einer Herstellung für klinische Anwendungen weiterentwickelt werden.

Ein möglicher Weg für zukünftige Therapien

Die Untersuchung zeigt, dass transplantierte menschliche neurale Vorläuferzellen im geschädigten Gehirn von Mäusen langfristig überleben und sich überwiegend zu Nervenzellen entwickeln können. Gleichzeitig stehen sie offenbar in einem komplexen molekularen Austausch mit dem umliegenden Hirngewebe.

Bei den behandelten Tieren gingen diese Veränderungen mit einer besseren Erholung bestimmter motorischer Funktionen einher. Ob sich dieser Ansatz auf den Menschen übertragen lässt, ist noch offen. Die Ergebnisse liefern jedoch wichtige Erkenntnisse darüber, wie Zelltransplantationen die Regeneration nach einem Schlaganfall möglicherweise unterstützen könnten.