Hart im Nehmen – humane Muskelstammzellen

4 Grad Celsius und wenig Sauerstoff: Bei nahezu feindlichen Umweltbedingungen besinnen sich humane Muskelstammzellen – die Satellitenzellen – auf ihr Überlebensprogramm.

Auf diese Weise behandeln Simone Spuler und Andreas Marg vom Experimental and Clinical Research Center (ECRC) erstmalig menschliche Satellitenzellen. Das eröffnet neue Möglichkeiten für die Regeneration defekter Skelettmuskulatur und die Therapie bisher unheilbarer Muskelerkrankungen.

Sie haben humanen Muskelstammzellen eine Radikalkur im Kühlschrank verpasst. Man sollte meinen, dass Zellen bei so einer Behandlung direkt ins Koma fallen.

Simone Spuler: Genau das tun sie im Prinzip. Sie fallen in eine Art Tiefschlaf. Kollegen in Paris hatten in der Pathologie beobachtet, dass humane Muskelzellen auch nach dem Tod noch aus Leichengewebe isoliert werden können. So kamen wir auf die Idee, unsere humanen Biopsien im Kühlschrank zu konservieren.

Stammzellmarker-positiv: Humane Satellitenzelle (rechts) exprimiert den Transkriptionsfaktors Pax7 (grün), links daneben eine humane Myoblastenzelle, die kein Pax7 exprimiert (unten). Foto: Andreas Marg, ECRC

Was sind das für Zellen und warum ist es so problematisch, sie zu kultivieren?

Simone Spuler: Satellitenzellen sind adulte Muskelstammzellen, die mit dem Alter in der Anzahl abnehmen. Sie tragen im Gegensatz zu pluripotenten embryonalen Stammzellen, die sich noch in unterschiedliche Zellgewebe entwickeln können, nur ein Programm in sich – nämlich sich zu einer Muskelfaser zu entwickeln. Eingebettet zwischen Zellumhüllung (Sarkolemma) und Basalmembran schwebt die Muskelstammzelle wie ein Satellit außerhalb der Muskelfaser in einem Zwischenraum, der Stammzellnische. Dort verharrt sie im Ruhezustand. Kommt es zu einer Muskelverletzung, wird sie aktiviert, wandert entlang der Faser zum Ort der Verletzung und bildet gesunde Muskelfasern aus.

Andreas Marg: Die Vorläuferzellen von Skelettmuskelfasern, Myoblasten, können Forscher seit 1971 in der Zellflasche kultivieren. Von Passage zu Passage verändern sie jedoch ihre Morphologie und wahrscheinlich auch ihre Eigenschaften. Sie gehen in eine Art Greisenstadium über und verlieren ihre Regenerationsfähigkeit. Bisher war es nicht möglich, diese Zellen in ihrem Urzustand für die Therapie zu nutzen – ein Problem, das bei fast allen Stammzellen auftritt, nicht nur im Muskel.

Wie haben sie das Problem gelöst?

Simone Spuler: In erster Linie hatten wir sehr viel Geduld und haben die Muskelfaserfragmente nicht gleich in die Tonne geworfen, selbst wenn zunächst in der Zellkultur nichts zu sehen war. Der eigentliche Trick ist, die Satellitenzelle in ihrer natürlichen Umgebung, der Stammzellnische, zu belassen. Die menschlichen Muskelbiopsien, die wir nach Zustimmung der Patienten und der zuständigen Stellen der Ethikkommission erhalten, zerkleinern wir zu Muskelfaserfragmenten. Dabei bleibt das intakte „Zuhause“ der Satellitenzelle, die Stammzellnische, erhalten. Die Präparation der Fragmente – analog zu einer Muskelverletzung im Körper – ist das Signal für die Satellitenzelle, ihr Regenerationsprogramm hochzufahren.

„Ich nenne das Panikmetabolismus“

Und dann?

Feinstarbeit: Unter dem Mikroskop präparieren Andreas Marg und Simone Spuler aus der humanen Biopsie Muskelfaserfragmente. Foto: Maimona Id, MDC

Simone Spuler: Schieben wir sie mitsamt den Faserfragmenten in den Kühlschrank: Kälte, kein Licht, kaum Sauerstoff - ein Schock für die Zelle. Die Zelle mobilisiert in so einem Stress ein Überlebensprogramm, das uns derzeit noch unbekannt ist. Ich nenne das Panikmetabolismus. Wir vermuten, dass der Stoffwechsel der Muskelstammzellen auf ein Minimum herunterfährt.

Andreas Marg: Ein weiterer positiver Effekt der Kühlung ist, dass alle anderen Zellen in den Muskelfaserfragmenten, wie Bindegewebszellen, diese Prozedur nicht überleben. Nur die Muskelstammzellen packen das. Nach der Kühlschrankphase kultivieren wir das Faserfragment bei 37 °C im Brutschrank. Nach ein bis zwei Wochen wachsen daraus Myoblasten in Reinkultur. Interessant ist für uns jedoch, was kurz vor dem Auswachsen passiert: Die Satellitenzelle hat ihr Regenerationsprogramm aktiviert und vermehrt sich in dem Faserfragment. Das ist exakt der Zeitpunkt, an dem wir die Muskelfaserfragmente in die Maus transplantieren. Im Charité CyberKnife Center bestrahlen wir punktgenau ein wenige Millimeter großes Muskelareal der Tiere. Damit fügen wir dem Muskel lokal einen Reparationsdefekt zu, indem wir die mauseigenen Satellitenzellen zerstören. Außerdem ist das CyberKnife aus Tierschutzsicht eine tolle Sache. Wir umgehen damit eine Ganzkörperbestrahlung, die das Immunsystem der Maus zerstören und sie krank machen würde.

Wie schätzen Sie die Ergebnisse ein?

Andreas Marg: Vielversprechend. Es bilden sich nicht nur neue Muskelfasern aus, sondern wir können auch nachweisen, dass sich die humanen Muskelstammzellen massiv vermehren. Ziel ist, die undifferenzierte Muskelstammzelle zu transplantieren und damit das volle Regenerationspotential auszuschöpfen.

Woher weiß ich denn, dass die transplantierten Zellen noch in ihrem undifferenzierten Urzustand sind?

Andreas Marg: Die unterschiedlichen Stadien der Satellitenzellaktivierung sind durch verschiedene Markerproteine wie Pax7 oder NCAM gekennzeichnet, die wir nachweisen. So können wir mit Sicherheit sagen, dass eine Pax7-positive Zelle ihr Stammzellpotential und damit die Regenerationsfähigkeit behalten hat. Morphologisch könnte ich eine Pax7-positive oder –negative Zelle nicht ohne weiteres unterscheiden.

Bei Mäusen hatten Sie Erfolg. Worin besteht die Herausforderung beim Menschen?

Simone Spuler: Von entscheidender Bedeutung sind formelle und institutionelle Voraussetzungen. Die humanen Zellen müssen unter GMP (Good Manufacturing Practice)-Bedingungen isoliert werden, bevor sie im Menschen eingesetzt werden dürfen. Schließlich handelt es sich um ein Medikament. Ein translational ausgerichtetes Institut wie das ECRC könnte diese Bedingungen gewährleisten, wenn die notwendige logistische und finanzielle Unterstützung vorhanden ist. Eine weitere Herausforderung ist, eine ausreichende Menge an reinen Muskelstammzellen herzustellen, damit ein so großer Muskel wie zum Beispiel der Oberschenkel regenerieren kann.

„Es ist noch gar nicht so lange her, da konnten wir für unsere Patienten nur ein Krankengymnastikrezept ausstellen“

Das wird bestimmt noch lange dauern und betrifft wenige Menschen...

Simone Spuler: Nein, wir reden hier nicht von ferner Zukunftsmusik. Schon jetzt böten sich Anwendungsmöglichkeiten bei Patienten mit schlechter Muskelregeneration nach Operationen oder schweren Erkrankungen, die beispielsweise lange Zeit auf der Intensivstation gelegen haben – ein Riesenproblem.

Wie hat man Muskelerkrankungen bisher behandelt?

Simone Spuler: Es ist noch gar nicht so lange her, da konnten wir für unsere Patienten nicht mehr tun, als ihnen ein Krankengymnastikrezept auszustellen. Ich leite die Arbeitsgruppe "Muskelforschung" mit der Hochschulambulanz für Muskelkrankheiten. Es ist bitter, wenn man beobachten muss, wie Patienten gehunfähig werden, im Rollstuhl sitzen und schließlich nicht mehr selbstständig atmen können, ohne dass wir helfen können. Es gibt etwa 400 genetische Muskeldefekte, daneben ein Reihe erworbener Krankheiten. Seit Mitte der 1990er Jahre hat sich eine Menge getan. Wir haben gelernt, die Krankheiten voneinander zu unterscheiden, und haben bereits viele molekulare Ursachen erforscht. Die ersten Muskelerkrankungen werden jetzt in internationalen Studien mit Gentherapie behandelt. Gemeinsam mit der Arbeitsgruppe von Zsuzsanna Izsvák arbeiten wir daran, die Satellitenzellen genetisch zu modifizieren und so langfristig für eine neuartige Therapie zu nutzen.

Was Stammzellexperten bisher nicht schafften, haben Sie mit einer relativ simplen Kühlschranktechnik hinbekommen. Wurden Sie auch belächelt?

Simone Spuler: Na klar! ‚Wir machen doch hier kein Voodoo‘, mussten wir uns anhören. Aber der Erfolg spricht für uns. Ausschlaggebend dafür ist unter anderem, dass Kliniker und Grundlagenforscher im Projekt interdisziplinär zusammenarbeiten. Neben Zsuzsanna Izsvák kooperieren wir mit der Entwicklungsbiologin Carmen Birchmeier, die uns sehr unterstützt. So ein Setting wie hier in Berlin-Buch – auf der einen Seite die Charité, auf der anderen Grundlagenforschung des MDC und in der Mitte wir, das ECRC – das findet man nicht oft auf der Welt.

Die Originalarbeit finden Sie im Journal of Clinical Investigation

Die gemeinsame Pressemitteilung der Charité und des MDC finden Sie hier.

Den 'Author's Take' Video Abstract:


Beitragsbild: Eingespieltes Team: Ärztin Simone Spuler und Biophysiker Andreas Marg forschen gemeinsam an Muskelstammzellen. Foto: Maimona Id, MDC