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Universität Basel

Stammzellen im menschlichen Gehirn

Verdon Taylor

Ob Stammzellen auch im Gehirn des Menschen vorkommen, war in der Forschung lange umstritten. Heute gilt als sicher, dass neue Nervenzellen in einigen Gehirnregionen während des ganzen Lebens gebildet werden, teilweise auch als Reaktion auf bestimmte Reize. Neurale Stammzellen spielen auch bei bestimmten Hirntumoren eine Rolle.

Das Gehirn ist nicht nur das komplexeste Organ in unserem Körper. Seine aufwendigen Verbindungen und seine bemerkenswerte Veränderbarkeit (Plastizität) erlauben es uns auch, unsere Umwelt zu beherrschen und zu kontrollieren. Bemerkenswert ist, dass im menschlichen Gehirn Milliarden von Nervenzellen (Neuronen) nach definierten Mustern organisiert sind, um seine Funktionalität sicherzustellen. Die meisten Neuronen im Gehirn müssen ein Leben lang halten und sind vor oder kurz nach der Geburt entstanden. Anders als bestimmte Gewebezellen werden die Neuronen im Alter nämlich nicht ersetzt. Im Gegensatz zu seiner immensen Plastizität ist das Gehirn also kaum in der Lage, sich nach einer Krankheit oder einer Verletzung zu regenerieren. Dass das Gehirn von Säugetieren unfähig ist, verloren gegangene Neuronen zu ersetzen, sei – so nahm man lange an – bedingt durch einen Mangel an Stammzellen, die das Potenzial haben, sich zu teilen und auf Wunsch neue Nervenzellen zu bilden. Dies steht ganz im Gegensatz zur Haut, zum Darm und zum Blut, wo Zellen laufend ersetzt werden und das Gewebe durch Populationen von Stammzellen repariert wird. Doch schon in den 1960er-Jahren postulierten Wissenschaftler, dass neue Neuronen in den Gehirnen von erwachsenen Säugetieren gebildet werden können, und zwar, wenn undifferenzierte Vorläuferzellen vorhanden sind. Der erste überzeugende Beweis, dass Stammzellen im Gehirn von erwachsenen Wirbeltieren vorkommen, kam aus der Erkenntnis, dass Singvogel-Männchen Gehirnneuronen in der Gesangsregion in einem saisonalen Zyklus regenerieren. Diese Stammzellen werden, von Hormonen gesteuert, zu Beginn der Brutzeit aktiviert, um Neuronen zu ersetzen, die für die Männchen zum Singen nötig sind. Nach der Brutzeit sterben diese Neuronen ab.

Nervenzellen auf Verlangen
Bei Nagetieren wurden Populationen von Stammzellen in verschiedenen Hirnregionen ausführlich untersucht. Die grösste Population von neuralen Stammzellen erzeugt die Nervenzellen des Riechzentrums und ersetzt Zellen, die ständig verloren gehen. Damit sorgen sie für die Aufrechterhaltung des Geruchssinns. Es wurde geschätzt, dass ein erwachsenes Nagetier täglich 80’000 neue Nervenzellen herstellen kann. Diese neu generierten Neuronen sind wichtig, um das Riechen weiterhin sicherzustellen. Im Gegensatz dazu hören beim Menschen die gleichen neuronalen Stammzellen im Kindesalter auf, neue Nervenzellen zu generieren. Wir haben bekanntlich im Vergleich zu den meisten andern Säugetieren einen eher schlechten Geruchssinn, doch ob die neuralen Stammzellen jeweils verloren gehen oder in einen Ruhezustand übergehen, ist nicht bekannt. Selbst bei älteren Menschen können Zellen, die neuralen Stammzellen ähneln, aus dem Gehirn isoliert, kultiviert und in vitro scheinbar unbegrenzt vermehrt werden. Dies lässt auf aussichtsreiche Therapien hoffen, da die menschlichen neuralen Stammzellen nicht nur Nervenzellen des Geruchssystems, sondern auch andere neue Nervenzellen erzeugen können, zum Beispiel jene, die zum Neocortex wandern, einer Gehirnregion, die von degenerativen Krankheiten befallen wird. Wenn wir die Mechanismen verstehen, die die Aktivierung und Differenzierung dieser Zellen steuern – so die Hoffnung –, könnten diese dazu gebracht werden, später einmal Neuronen zu erzeugen.

Erinnerung und Krankheit
Die andere grosse Region im Erwachsenengehirn, in der auch beim Menschen Neuronen produziert werden, ist der sogenannte Hippocampus. Dieser Teil des Grosshirns ist verantwortlich für das Lernen und den Abruf von spezifischen Formen der Erinnerung. Dabei werden jeweils neue Nervenzellen erzeugt und in einen bestehenden neuronalen Schaltkreis integriert. Diese neuen Nervenzellen werden für die Gedächtnisbildung genutzt, wie Versuche mit Nagetieren zeigen. Zusätzlich können physiologische Reize zur Aktivierung von neuralen Stammzellen im Hippocampus und zur Neubildung von Nervenzellen führen. So erhöht zum Beispiel körperliche Bewegung die Produktion von Neuronen, und eine anregende Umgebung, verbunden mit kognitiver Herausforderung, verstärkt die Integration dieser neuen Neuronen in den Schaltkreis im Hippocampus. Es ist noch nicht eindeutig bewiesen, dass diese neuen Neuronen für die Gedächtnisbildung beim Menschen erforderlich sind. Experimentelle Befunde legen aber nahe, dass moderate körperliche Bewegung und geistige Herausforderung des Gehirns dazu beitragen können, einige Aspekte der Hirnalterung und des Abbaus kognitiver Fähigkeiten abzuwehren. Indes spielen die Stammzellen im menschlichen Hippocampus auch bei Erkrankungen eine Rolle. In Versuchen mit Nagetieren wurden solche Stammzellen bei Temporallappen- Epilepsie rasch aktiviert und vermehrt, um viele neue Neuronen zu erzeugen. Diese Nervenzellen verteilen sich im Hippocampus, um dort potenziell diffuse und teils fehlerhafte Verbindungen zu bilden. Ähnlich ist auch beim Menschen die Temporallappen-Epilepsie mit einer erhöhten Vermehrung und Verteilung von Neuronen im Hippocampus verbunden. Es bleibt zu klären, ob die Aktivierung von Stammzellen und die damit wahrscheinlich verbundene Bildung neuer Nervenzellen eine Reaktion auf die Krankheit oder aber ein auslösender Faktor für die Epilepsie ist. Kürzlich kamen Forschende zum Ergebnis, dass zwischen den Wirkungen einiger Antidepressiva und der Regulation der Bildung von Nervenzellen eine Verbindung besteht. Dabei könnten neurale Stammzellen bei depressiven und bipolaren Störungen beteiligt sein. Während die genauen Wirkungsmechanismen von Antidepressiva auf die Bildung von Nervenzellen noch nicht bekannt sind, ist es klar, dass neurale Stammzellen und ihre Vorläuferzellen auf Neurotransmitter reagieren, die von Nervenzellen freigesetzt wurden. Sie können die neuronale Signalübertragung überwachen und auf Veränderungen in der Hirnaktivität reagieren.

Neuronale Stammzellen bei Hirntumoren
Krebserkrankungen in bestimmten Geweben entstehen aus Stamm- und ihren Vorläuferzellen, die mutiert sind und die Kontrolle über ihre Vermehrung und ihre Programme zur Differenzierung verloren haben. Zunehmend wächst die Erkenntnis, dass einige Hirntumore durch fehlerhaft funktionierende Stammzellen verursacht werden. Glioblastome und hochgradige Gliome sind aggressive Krebsarten mit einer schlechten Prognose und wenig Behandlungsmöglichkeiten. Da diese Zellen Stammzelleigenschaften enthalten, wie Experimente ergaben, vermutete man, dass dabei Stamm- oder ihre Vorläuferzellen im Erwachsenengehirn beteiligt sind und sogar den Tumor verursachen könnten. Dabei würde die den Tumor auslösende Zelle jene Mechanismen überfallsartig übernehmen, welche die Stammzellen im Gehirn normalerweise am Leben erhalten. Eine weitere Annahme ist, dass Gliomzellen lokale Nischen besetzen und umformen, was zu einem unkontrollierten Ausbreiten dieser Krebszellen führt. Das Verständnis der Mechanismen, welche die Wartung und Differenzierung der neuralen Stammzellen kontrollieren, könnten daher entscheidend sein, wenn man wissen will, wie sich Gehirntumore beim Menschen bilden; ebenso für die Entwicklung neuartiger Therapien. Ob Stammzellen im Gehirn des Menschen vorkommen, wurde in der Forschung lange intensiv diskutiert. Inzwischen gilt es heute als allgemein akzeptiert, dass in einigen Regionen des Gehirns während des gesamten Lebens und als Reaktion auf bestimmte Reize neue Nervenzellen gebildet werden. Es bleibt Aufgabe der Forschung, den Mechanismus und die lokalen Signale weiter zu untersuchen, welche die Erhaltung und Differenzierung von neuralen Stammzellen steuern – nicht zuletzt, um ihre Rolle im gesunden Zustand und bei Krankheit zu verstehen.

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