Forschungslabor

Das Forschungslabor für restaurative Neurowissenschaften des Inselspitals unter Leitung von Prof. Dr. Hans Rudolf Widmer leistet international anerkannte Forschung mit Schwerpunkt auf der Zelltherapie bei neurodegenerativen und neuropathologischen Erkrankungen.

Im Ursprung sind die Stammzelle

Das menschliche Gehirn ist ein hoch komplexes Organ nicht nur aufgrund der verschiedenen Nervenzelltypen, sondern vor allem auch wegen des immensen Geflechts von Nervenverbindungen. Aus sogenannten Stammzellen entwickeln sich alle Zelltypen des Gehirns. Die anfänglich einfachen Zellen entwickeln sich bei der Enticklung des Gehirns zu immer komplexeren Zellen. Es findet eine notwendige Ausprögung oder auch Differenzierung von Zellen und Zellgruppen statt, die spezifische Aufgaben im Gehirn übernehmen. Aus noch unreifen und sich teilenden Stamm- und Vorläuferzellen bilden sich schlussendlich die verschiedenen Zelltypen. Diese innerhalb der Entwicklung eines Individuums stattfindende Spezialisierung bestimmter Zellen bezeichnet man als Zelldifferenzierung.

Wachstumsfaktoren steuern die Verkabelung im Gehirn

Ein wichtiges Mittel für das Gehirn, die Differenzierung bzw. das Zellwachstum. zu beeinflussen, ist die koordinierte Expression von Wachstumsfaktoren. Jede Minute werden im Gehirn eines Neugeborenen mehr als hunderttausend Nervenzellen neu gebildet. Dieses Zellwachstum nimmt mit zunehmendem Alter kontinuierlich ab. Das Gehirn wächst nun vorwiegend, indem es neue Verkabelungen und damit verbunden neue Gliazellen bildet. Interessanterweise sind die Verbindungen zwischen den einzelnen Nervenzellen modulierbar, das heisst die Verschaltungen auf den Dendriten (Nervenzellen) sind nicht fix, sondern werden auf- und abgebaut. Beim Erwachsenen entstehen nur noch in bestimmten Gehirnarealen und in bescheidener Anzahl neue Nervenzellen. Man geht aber davon aus, dass andere Hirnareale nach Hirnverletzungen oder Erkrankungen fähig sind, neue Zellen zu generieren und Hirnfunktionen zu übernehmen. Auch hier vermutet man, dass Wachstumsfaktoren dabei eine wesentliche Rolle spielen.

Forschung ist wichtig für ein besseres Verständnis des Gehirns

Kenntnisse auf dem Gebiet der Entwicklungsbiologie sind eine Voraussetzung für das Verständnis der Funktion von Nervenzellen im neuronalen Netzwerk. Wenn wir wissen, wie die Wirkungsweise von Wachstumsfaktoren funktioniert, gewinnen wir einerseits Informationen wie sich spezifische Nervenzellen entwickeln, andererseits hoffen wir, dass sich damit neue Wege in der Behandlung neurodegenerativer und neuropathologischer Erkrankungen eröffnen.

Forschungsprojekte

Hirnzelltransplantation bei Morbus Parkinson

Hintergrund

Das Konzept der neuronalen Zelltransplantation als neue therapeutische Langzeitstrategie in der Behandlung von Patienten mit Morbus Parkinson ist eigentlich recht einfach: Man zielt auf eine funktionelle Restauration des erkrankten Gehirns hin, durch das Ersetzen der abgestorbenen Zellen mittels implantierten gesunden Nervenzellen. Warum ist dies speziell interessant bei Morbus Parkinson? Und warum wurden bisher überwiegend bei dieser Krankheit Transplantationsstudien durchgeführt?

Das menschliche Gehirn besitzt mehr als 100 Milliarden Nervenzellen. Das progressive Absterben einer speziellen, kleinen, dopaminproduzierenden Subpopulation von Nervenzellen in der Substantia nigra ist dabei ein charakteristisches Merkmal der Parkinson'schen Krankheit. Durch das fehlende Dopamin wird die Erregungsübertragung im Striatum gestört. Es kommt in der Folge zu den typischen Symptomen wie dem Rigor, der Akinese und dem Ruhetremor. Mit dem Fortschreiten der Erkrankung werden die Patienten immobil und durch die Beeinträchtigung der mimischen Muskulatur auch in der sozialen Interaktion stark behindert. Wenn die Krankheit erstmals bemerkt wird, ist sie bereits weit fortgeschritten. Mehr als 70 % der dopaminhaltigen Hirnzellen sind dann schon verloren gegangen. Man kann darum postulieren, dass diese neurodegenerative Erkrankung – mit einem spezifischen nigrostriatalen Dopaminmangel – einfacheren Zugang für diese Therapie bietet, als vergleichsweise 'komplexere' Erkrankungen, wie den Morbus Alzheimer. Wichtig zu bemerken ist hier die besondere Bedeutung der experimentellen Tiermodelle der Parkinson-Krankheit. So haben ausgedehnte Studien gezeigt, dass transplantierte embryonale, dopaminerge Nervenzellen erfolgreich das Striatum innervierten, Dopamin in einer physiologischen Art und Weise freisetzten und die motorischen Funktionen verbesserten.

Die Parkinson-Krankheit ist häufig. Rund 1 % aller Personen über 60 Jahren sind davon betroffen. Aufgrund der Bevölkerungsentwicklung mit einer immer höheren Lebenserwartung wird man die Erkrankung in Zukunft noch deutlich vermehrt in den entwickelten Industrieländern antreffen. Trotzdem sind die auslösenden Faktoren bis heute weitgehend ungeklärt. Diskutiert werden neben altersbedingten Veränderungen auch eine entsprechende genetische Veranlagung sowie die Einwirkung verschiedenster Umweltfaktoren oder eine Kombinationen davon. Bis heute ist die Krankheit unheilbar. Seit längerer Zeit wird deshalb mit grossem Aufwand nach neuen Behandlungsmöglichkeiten für den Morbus Parkinson gesucht.


Historie

Die Möglichkeit einer klinischen Anwendung der neuronalen Transplantation wurde erstmals in den späten 1970er Jahren diskutiert. Dies geschah vor dem Hintergrund zahlreicher ermutigender Resultate, welche mit Hirnzelltransplantationen im Rattenmodell des Morbus Parkinson erzielt wurden und zeigten, dass sich die motorischen Defizite, wie auch die sensomotorische Integration verbesserten **.

Beginnend in den frühen 1980er Jahren wurden dann die ersten breit angelegten Transplantationsstudien mit humanem Gewebe durchgeführt. Dabei wurden bei weltweit über 400 Fällen patienteneigene Zellen aus dem Nebennierenmark transplantiert, mit der Idee, die immunologischen und ethischen Probleme der Zelltransplantate zu umgehen. Die Resultate dieser Studien waren insgesamt eher ernüchternd, gleichzeitig aber ebneten sie den Weg, um die Methode der Hirnzelltransplantation weiterzuentwickeln. So zeigten weiterführende tierexperimentelle Studien, dass die Transplantation von embryonalem, ventralen mesenzephalem Gewebe zu einem verbesserten Verhalten in Kombination mit einem signifikanten Zellüberleben und einer substantiellen Innervation des denervierten Striatums führten. In den späten 80'er Jahren wurden die ersten klinischen Transplantationen von fötalem, ventralen mesenzephalem Gewebe durchgeführt wobei teilweise substantielle klinische Verbesserungen beschrieben und das Überleben der transplantierten Zellen im Empfängerhirn demonstriert wurden **.
Somit konnte postuliert werden, dass das transplantierte Gewebe in der Lage seist, die Aufgabe der zugrunde gegangenen Zellen in der Substantia nigra funktionell zu übernehmen. Aus den Resultaten dieser Studien konnte man aber auch sehen, dass obwohl in individuellen Patienten der klinische Nutzen signifikant war (was einhergehend mit einer substantiellen Reduktion oder sogar vollständigen Elimination der L-Dopa-Abgabe), es doch eine hohe Variabilität bei den Ergebnissen gab. Dies ist vermutlich hauptsächlich dadurch bedingt, dass der pathologische Prozess bei den einzelnen Patienten variiert und das Überleben der transplantierten Nervenzellen sowie die Innervation des Empfängerhirns unterschiedlich waren. Die erste durchgeführte 'double-blind placebo-controlled' Studie mit fötalen Zelltransplantaten bei fortgeschrittenem Morbus Parkinson wurde im Jahr 2001 veröffentlicht *. Die Resultate waren über die gesamte Patientengruppe betrachtet variabel und eher bescheiden, gemessen an den hohen Erwartungen. Patienten hingegen, welche gut auf L-Dopa ansprachen, verbesserten sich signifikant bezüglich Bradykinesie und Rigidität. Eher unerwartet entwickelten ungefähr 12 % der Patienten schwerere Nebenwirkungen wie  Dyskinesien. Auch eine zweite kontrollierte Studie warf die Frage auf, wie die früheren Resultate zu bewerten seien *.

In den mittlerweile weit über 300 realisierten Hirnzelltransplantationen wurden überwiegend Zellen verpflanzt, die abgetriebenen Embryonen entnommen wurden. Auf die damit verbundenen Probleme wird im folgenden Abschnitt eingegangen.


Was ist genau eine Hirnzelltransplantation und welche Parameter spielen dabei eine Rolle?

Die Zelltransplantate werden aus dem fötalen, ventralen Mesenzephalon gewonnen (Alter etwa 5.5 bis 9 Wochen nach Konzeption), also aus jenem Bereich, in welchem sich zu einem späteren Zeitpunkt die Substantia nigra entwickelt. Die Nervenzellen werden in das Zielgebiet (meistens in das post-kommissurale Putamen) im Gehirn des Parkinsonpatienten stereotaktisch eingepflanzt unter Verwendung einer speziellen Nadel. Dort werden sich die Nervenzellen weiter differenzieren, dabei Verbindungen zu ihren Zielzellen im Striatum ausbilden und dort den fehlenden Botenstoff Dopamin abgeben. Sie agieren, also wie eine "biologische Dopaminpumpe". Aus praktischen Gründen (bisher ist es noch nicht gelungen die Distanz von der Substantia nigra bis zu ihren Zielzellen im Striatum zu überwinden) erfolgt die Implantation dabei nicht in die geschädigte Substantia nigra selbst, sondern direkt ins Striatum des Patienten.

Die beschränkte Verfügbarkeit des Spendergewebes, von dem bei einem Schwangerschaftsabbruch jeweils nur eine winzige Menge anfällt, stellt eine grosses Problem dar. Man rechnet, dass etwa 100 000 bis 150 000 überlebende dopaminerge Nervenzellen notwendig sind, um eine substantielle klinische Verbesserung der Symptome zu erreichen. Dies entspricht der Anzahl von ungefähr 3–4 humanen Embryos. Eine erfolgreiche Operation erfordert somit beträchtliche Mengen des schwierig erhältlichen Spendergewebes. Die jetzige Methode kann also bestenfalls einem Bruchteil aller geeigneten Parkinsonkranken angeboten werden und erfordert zudem eine äusserst aufwendige und kostenintensive Logistik.

Bei einer Hirnzelltransplantation sind also wichtige ethische Aspekte zu berücksichtigen, bedingt durch den Umstand, dass die Zelltransplantate aus Gewebematerial von Schwangerschaftsabbrüchen gewonnen werden. Um nur einige Punkte zu nennen: Die Entscheidung eines Schwangerschaftsabbruchs darf in keiner Weise beeinflusst werden durch eine mögliche spätere Verwendung des Gewebes für eine Transplantation. Es muss unbedingt gewährleistet sein , dass die Nachfrage nach Spendergewebe keinen Einfluss auf die Durchführung von Schwangerschaftsabbrüchen hat und dass keine kommerziellen Interessen im Spiel sind. Nur nach schriftlichem Einverständnis der Frau, die ihre Schwangerschaft abbrechen lässt, darf Spendergewebe entnommen und ausschliesslich anonymisiert weiterverarbeitet werden.

Die Forschung unternimmt derzeit grosse Anstrengungen, um in Zukunft nicht mehr auf das umstrittene embryonale humane Gewebe angewiesen zu sein. Erste Transplantationen bei Patienten wurden schon mit fötalen Hirnzellen des Schweins durchgeführt (die sogenannte Xenotransplantation), welche aus heutiger Sicht aber eher als 'Zwischenschritt' angesehen werden müssen aufgrund der ungelösten immunologischen Fragen. Mehr Erfolgschancen wird genetisch modifizierten Zelllinien und der Stammzelltechnologie zugestanden, obwohl auch hier noch viele Fragen ungeklärt sind, wie zum Beispiel die präzise Steuerung der Zellentwicklung vor und nach der Transplantation. Vorteile dieser Technologie sind die praktisch unbegrenzte Menge an Gewebe und das fehlende Risiko der Abstossung oder Übertragung von Infektionskrankheiten (wie bei der Implantation von fremdem Spendergewebe).

Nervenzellen sind hochempfindliche und ausserordentlich komplexe Gebilde und reagieren äusserst sensibel auf äussere Einflüsse, wie sie während der Transplantation auftreten. Der geringste mechanische Schaden oder Veränderungen der biochemischen Umgebungsbedingungen reichen aus, um einen für die Hirnzelle tödlichen Reiz zu setzen. Es erstaunt daher nicht, dass nur etwa 5–10 % der verpflanzten Zellen den Eingriff überleben.

Bei Forschungsarbeiten wurde beobachtet, dass der Zelluntergang vor und während der Transplantation teilweise auf die Auslösung des programmierten Zelltods, der sogenannten Apoptose, zurückzuführen ist. Dabei spielen neben metabolischen Störungen, die Excitotoxizität (der Tod einer Nervenzelle durch andauernde Reizüberflutung) und der oxidative Stress vermutlich eine wichtige Rolle. Von der Anwendung verschiedener neuroprotektiver Substanzen erhofft man sich daher einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung des Zellüberlebens und zur Minimierung der erforderlichen Gewebemenge. Neben der Vorbehandlung des zu verpflanzenden Gewebes, müsste die entsprechenden Medikamente vermutlich ebenfalls während und nach der Operation verabreicht werden, um das Überleben des Transplantats zu verbessern. Interessanterweise konnte in einer neueren Studie die für die Transplantation benötigte Anzahl von Embryonen durch Vorbehandlung des Spendergewebes mittels eines Lipidperoxidaseinhibitoren (und nachfolgender Gabe an den Patienten) signifikant gesenkt werden  *. Spezielles Interesse geniessen speziell auch Wachstumsfaktoren wie der „Glial Cell Line-Derived Neurotrophic Factor“ (GDNF), die während der normalen Entwicklung des embryonalen Gehirns von den Nerven- und Stützzellen abgegeben werden und eine wichtige Rolle in der Steuerung und Koordination des Nervenzellwachstums spielen. GDNF beispielsweise stimuliert die morphologische Differenzierung dopaminhaltiger Nervenzellen *. Da Wachstumsfaktoren die Blut-Hirn-Schranke kaum passieren können, wird versucht, den Wachstumsfaktor mittels der Implantation von speziellen Kapseln, welche mit genetisch modifizierten, GDNF produzierenden Zellen gefüllt sind, direkt ins Gehirn abzugeben. In der Tat zeigte sich im Tierversuch, dass das Transplantat schneller und besser einwuchs *.

Von grosser Wichtigkeit bei der Hirnzelltransplantation ist die Selektion der Patienten. Kriterien, welche von den meisten Zentren als notwendig angesehen werden sind:

  • Es liegt keine andere schwere Krankheit vor.
  • Es liegen keine Demenz oder Psychose vor.
  • Die Patienten sind eher jung (zwischen 40 und 65 Jahre alt).
  • Die Patienten zeigen 'on-off'-Fluktuationen mit guten 'on' Perioden.
  • Die Patienten leiden an schweren Hypokinesen und Rigidität in 'off'-Phasen, zeigen aber keinen ausgeprägten Tremor.
  • Als wichtiger Parameter scheint nach den Studien von Curt Freed *, das Ansprechen der Symptome auf L-Dopa zu sein.


Zusammenfassend kann man festhalten, dass bevor an eine breite klinische Anwendung der Hirnzelltransplantation zu denken ist, noch viel Forschung betrieben werden muss. Die unbestrittenen grossen Möglichkeiten dieser Therapieform sollten trotz der zurzeit eher kritischen Stimmen nicht vergessen werden. Obwohl ich überzeugt sind, dass in den kommenden Jahren – speziell auf dem Gebiet der Stammzellforschung – substantielle Fortschritte erwartet werden können, ist die Hirnzelltransplantation zum jetzigen Zeitpunkt weiterhin als 'experimentell' zu bezeichnen und sollte zurückhaltend mit dem Patienten diskutiert werden.


Kreatin und neuronale Regeneration

Ein gestörter zellulärer Energiestoffwechsel spielt eine wichtige Rolle in vielen neurodegenerativen Krankheiten. Wir untersuchen in unseren Studien das Potenzial des Phosphokreatin/Kreatin-Systems, um Nervenzellen vor toxischen Einflüssen zu schützen.

Kreatinin in der Allgemeinmedizin (PDF)


Neuronale Wachstumsfaktoren

Nervenwachstumsfaktoren spielen eine eminente Rolle bei der Entwicklung des Nervensystems und sind wichtige Teamplayer für das Überleben der Hirnzellen. Wir erforschen, welche Faktoren beim Morbus Parkinson eine Rolle spielen.

Wachstumsfaktoren für das Gehirn (PDF)


Neue Therapieansätze beim Schlaganfall

Dieses Forschungsprojekt verfolgt einen neuartigen Ansatz, um in Zukunft Gefässerkrankungen zu behandeln, die zum Beispiel zu einem Herzinfarkt führen können: Nicht über die Transplantation von Stammzellen, sondern über die Aktivierung bereits bestehender Stammzellen.


Hintergrund

Eine Ischämie ist eine Minderdurchblutung eines Gewebes. Das betroffene Gewebe leidet in der Folge an Sauerstoff- und Nährstoffmangel und kann absterben. Ist der Herzmuskel betroffen, kann das zu einem Infarkt führen. Sind Arme und Beine betroffen, kann das zu einer sogenannten arteriellen Verschlusskrankheit führen.
Zur Behandlung dieser Erkrankungen gibt es verschiedene Lösungsansätze, etwa die Idee, mit Hilfe von Stammzelltransplantationen neue Gefässe wachsen zu lassen. Allerdings sind solche Transplantationen stets mit Hürden verbunden, etwa möglichen Abstossungsreaktionen. Zudem sind entsprechende Stammzellen schwierig aufzuspüren und teilen sich im Labor nur ungern.


Bedeutung

Ist dieses Projekt erfolgreich, wäre ein klinischer Versuch der nächste logische Schritt. Von einer medizinischen Anwendung könnten allein in der Schweiz Hunderttausende von Patienten profitieren – Patienten mit einem Herzinfarkt, mit einem Hirnschlag, mit Atherosklerose.


Ziel

Dieses Forschungsprojekt verfolgt einen neuartigen Ansatz: Beschädigte Gefässe sollen nicht mit Hilfe einer Transplantation behandelt werden, sondern die Forscher versuchen, die im Gewebe bereits ansässigen Stammzellen zur Teilung anzuregen. Daher wird diese Therapie auch als «zellfrei» bezeichnet. Die Forscher konzentrieren sich dabei auf sogenannte EPC-Zellen (EPC steht für Endothelial Progenitor Cells), denn diese Zellen spielen bei der Gefässneubildung eine wichtige Rolle. Die Forscher werden untersuchen, welche Quelle sich am besten dazu eignet, diese EPC-Zellen anzuregen. Das Blut gesunder Spender? Nabelschnurblut?


Kollaborationen

Cluster for Regenerative Neuroscience Bern

Department of Biomedicine

Institute of Neurobiology, Odense, Denmark

Referenzen

  1. Björklund A, Stenevi U. Reconstruction of the nigrostriatal dopamine pathway by intracerebral nigral transplants. Brain. Res. 30 November 1979;177(3):555-60.

  2. Dunnet SB, Björklund A, Stenevi U, Iversen SD. Grafts of embryonic substantia nigra reinnervating the ventrolateral striatum ameliorate sensorimotor impairments and akinesia in rats with 6-OHDA lesions of the nigrostriatal pathway. Brain Res. 1981;229(1):209-17.

  3. Kordower JH, Freeman TB, Snow BJ, Vingerhoets FJ, Mufson EJ, Sanberg PR, Hauser RA, Smith DA, Nauert GM, Perl DP, Olanow CW. Neuropathological evidence of graft survival and striatal reinnervation after the transplantation of fetal mesencephalic tissue in a patient with Parkinson's disease. N Engl J Med.1995;332(17):1118-1124

  4. Lindvall O, Brundin P, Widner H, Rehncrona S, Gustavii B, Frackowiak R, Leenders KL, Sawle G, Rothwell JC, Marsden CD, et. al. Grafts of fetal dopamine neurons survive and improve motor function in parkinson's disease. Science. 1990;247(4942):574-577.

  5. Freed CR, Greene PE, Breeze RE, Tsai WY, DuMouchel W, Kao R, Dillon S, Winfield H, Culver S, Trojanowski JQ, Eidelberg D, Fahn S. Transplantation of embryonic dopamine neurons for severe parkinson's disease. N Engl J Med.  2001;344(10):710-9.

  6. Olanow CW, Goetz CG, Kordower JH, Stoessl AJ, Sossi V, Brin MF, Shannon KM, Nauert GM, Perl DP, Godbold J, Freeman TB. A double-blind controlled trial of bilateral fetal nigral transplantation in Parkinson's disease. Ann Neurol. 2003;54(3):403-14.

  7. Brundin P, Pogarell O, Hagell P, Piccini P, Widner H, Schrag A, Kupsch A, Crabb L, Odin P, Gustavii B, Björklund A, Brooks DJ, Marsden CD, Oertel WH, Quinn NP, Rehncrona S, Lindvall O. Bilateral caudate and putamen grafts of embryonic mesencephalic tissue treated with lazaroids in Parkinson's disease. Brain. 2000;123(Pt 7):1380-90.

  8. Widmer HR, Schaller, B, Meyer M, Seiler RW. Glial cell line-derived Neurotrophic factor stimulates the morphological differentiation of cultured ventral mesencephalic  calbindin and calretinin expressing neurons. Exp Neurol. 2000;164(1):71-81.

  9. Zurn AD, Widmer HR, Aebischer P. Sustained delivery of GDNF: Towards a treatment for Parkinson's disease. Brain Res Brain Res Rev. 2001;36(2-3):222-9.