Menschliche Stammzellen „Weltraumhämatopoese“, was ist der Unterschied?

Am 4. Juni kehrte die Rückkehrkapsel des bemannten Raumschiffs Shenzhou 15 zur Erde zurück. Zusammen mit den Astronauten wurden auch einige experimentelle Proben zurückgebracht, darunter Zellproben aus der weltweit ersten Studie zur Differenzierung pluripotenter Stammzellen (iPS-Zellen) in frühe hämatopoetische Zellen in der Mikrogravitationsumgebung des Weltraums. Diese iPS-Zellen wurden 6 bis 15 Tage lang im Orbit kultiviert, wodurch die erste „Weltraumhämatopoese“ menschlicher Stammzellen erreicht wurde.

Professor Liu Qiang, stellvertretender Direktor des Tianjin Institute of Immunology und Professor für Neurologie am Tianjin Medical University General Hospital, sagte, dass Stammzellen große Entwicklungsaussichten und einen großen klinischen Anwendungswert bei der Behandlung von Krankheiten und der Gewebereparatur hätten. Allerdings ist die aktuelle bahnbrechende Stammzellenforschung noch immer mit großen Herausforderungen konfrontiert. Dazu gehören die Frage, wie sich der Umfang der Massenproduktion von Stammzellen steigern lässt, wie sich die differenzierte Stammzellstruktur erhalten lässt und wie sich die Stammzelldifferenzierung gezielt gestalten lässt. Dieses Stammzellenexperiment im Weltraum ist auch ein mutiger Vorstoß in die menschliche Stammzellenforschung.

Warum hämatopoetische Stammzellen die „Auserwählten“ sind

Der vollständige Name von IPS-Zellen lautet „künstliche pluripotente Stammzellen“. Dabei handelt es sich um aus somatischen Zellen gewonnene Stammzellen. „IPS-Zellen haben durch Kultur ein unbegrenztes Proliferationspotenzial und können sich in fast alle Zellen des menschlichen Körpers differenzieren, wie etwa Leber- und Keimzellen sowie schwer regenerierbare Zellen wie Kardiomyozyten und Nervenzellen. Dazu gehören auch hämatopoetische Stammzellen“, sagte Liu Zichuan, Forscher an der Pharmazeutischen Fakultät der Universität Tianjin.

Laut Lei Xiaohua, dem Verantwortlichen für das Projekt „Weltraumhämatopoese“ der Raumstation und Forscher am Institut für Biomedizin und Technologie des Shenzhen Institute of Advanced Technology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, konnten sich IPS-Zellen im Experiment im Orbit in kieselsteinähnliche hämatopoetische Stammzellen differenzieren.

„Obwohl nur eine kleine hämatopoetische Stammzelle differenziert wurde, ist es durch diesen Prozess möglich, den Mechanismus zu erforschen, der die frühe Differenzierung von iPS-Zellen in einer Umgebung mit Mikrogravitation beeinflusst, daher ist er sehr wertvoll“, sagte Liu Zichuan.

IPS können sich in verschiedene Stammzellen differenzieren, beispielsweise in mesenchymale Stammzellen des Knochenmarks, neurale Stammzellen, Leberstammzellen usw. Warum wurden für dieses Experiment hämatopoetische Stammzellen ausgewählt?

Liu Zichuan führte aus, dass das größte Hindernis für die derzeitige Anwendung von Stammzellen die Differenzierungseffizienz und Zellproliferation in einer In-vitro-Umgebung sei. Es gibt zwei Hauptmethoden, um Zellen in vitro konventionell zu kultivieren. Eines davon ist anhaftendes Wachstum. Die meisten Stammzellen benötigen einen Befestigungspunkt, um auf einer Matrix zu wachsen. Das andere ist ein ausgesetztes Wachstum. Herkömmliche Blutzellen wie rote Blutkörperchen, T-Zellen, Granulozyten usw. wachsen alle in Suspension.

„Hämatopoetische Stammzellen sind ein wichtiger Knotenpunkt. Ihre Upstream-Zellen können sich durch anhaftendes Wachstum von IPS-Zellen unterscheiden und sich Downstream-Zellen weiter differenzieren, um verschiedene suspendierte Blutzellen zu bilden.“ Liu Zichuan sagte, dass die derzeitige Differenzierungseffizienz von Stammzellen jedoch sehr gering sei und es bei hämatopoetischen Stammzellen in vitro schwierig sei, eine unbegrenzte Expansion zu erreichen. Ohne diesen technischen Engpass zu überwinden, ist es unmöglich, eine wirklich künstliche Hämatopoese zu erzeugen.

Stammzellen-Weltraumexperimente dienen vor allem dazu, der Schwerkraft zu entkommen

Bereits im Jahr 2017 hatte das wissenschaftliche Forschungsteam bei seinen Untersuchungen zur Proliferation und Differenzierung embryonaler Stammzellen von Mäusen auf dem Frachtraumschiff Tianzhou-1 gezeigt, dass im Weltraum kultivierte Stammzellen ein besseres Wachstumsmuster als auf der Erde aufwiesen und gleichzeitig ein höheres Maß an Pluripotenz-Genexpression aufrechterhalten wurde.

Liu Zichuan glaubt, dass das größte Merkmal der Weltraumumgebung die Mikrogravitation ist und der Hauptfaktor die Veränderung der Schwerkraft ist. In einer Umgebung mit Mikrogravitation unterscheiden sich Stammzellen und die Kulturträgermatrix hinsichtlich Schwerkrafteigenschaften, morphologischer Struktur usw. deutlich von denen auf der Erde.

„Einige Leute haben zuvor die Wirkungen von Matrixgel verglichen und festgestellt, dass die Verwendung eines weicheren Matrixgels zu einer besseren Expansion hämatopoetischer Stammzellen führt. In einer Umgebung mit Mikrogravitation sind Stammzellen nicht auf die Schwerkraft angewiesen, um sich an das Matrixgel anzuheften. Die Härte- und Weichheitsfaktoren des Matrixgels werden geschwächt und die Belastung durch die Expansion reduziert. Gleichzeitig kann sich auch die Effizienz der Differenzierung suspendierter Zellen im weiteren Verlauf erhöhen, da sie nicht von der Schwerkraft beeinflusst werden“, führte Liu Zichuan ein.

„Obwohl die experimentellen Ergebnisse komplizierter als erwartet ausfallen könnten, hat noch niemand zuvor diese Forschung durchgeführt. Ob die Mikrogravitationsumgebung einen positiven oder negativen Effekt auf die Differenzierung und Expansion hämatopoetischer Stammzellen hat, ist eine Innovation, daher ist das Experiment sehr bedeutsam“, kommentierte Liu Zichuan.

Darüber hinaus stellt das Experiment zur „Weltraumhämatopoese“ eine bessere Erweiterung der ursprünglichen Forschung zum Mechanismus der Stammzelldifferenzierung und -expansion dar und ist ein sehr gutes Forschungsmodell. „Durch dieses Experiment können wir auch die Genomik des hämatopoetischen Prozesses sowie die Rolle wichtiger Zellsignalwege und die Wechselwirkungen zwischen Zellen weiter vertiefen. Es ist möglich, einige der grundlegendsten Probleme der Zellbiologie aufzudecken und neue Ideen für die Stammzellenforschung zu liefern.“ Liu Zichuan nannte ein Beispiel: Wenn sich herausstellt, dass Mikrogravitation die Stammzellvermehrung fördert, können wir darüber nachdenken, diese Umgebung auf der Erde zu simulieren. Oder wenn sich herausstellt, dass es in einer Mikrogravitationsumgebung spezielle Zellwege gibt, die die Differenzierung und Vermehrung von Stammzellen regulieren können, dann können wir ihre Funktionen künstlich steigern oder verringern, was die Entwicklung von Stammzellmedikamenten unterstützen wird.

Liu Qiang glaubt, dass Stammzellen aufgrund des Einflusses der Erdanziehungskraft dazu neigen, während des Kultivierungsprozesses zu aggregieren und zu verklumpen. Aufgrund der Mikrogravitationsbedingungen im Weltraum kommt die In-vitro-Kultur von Stammzellen der Differenzierung und Proliferation von Stammzellen im Embryo näher und kann gleichmäßig suspendiert werden und frei wachsen. Darüber hinaus ist die Wachstumsumgebung der Stammzellen ohne Einfluss der Schwerkraft relativ stabil, was der Realisierung der industriellen Entwicklung förderlich ist.

„Darüber hinaus verfügen Zellen, die in der Mikrogravitationsumgebung des Weltraums gezüchtet werden, im Vergleich zu auf der Erde gezüchteten Zellen über deutlich verbesserte Funktionen und stärkere immunsuppressive Fähigkeiten“, sagte Liu Qiang.

Aufgrund von Zeit- und Ressourcenbeschränkungen führte Lei Xiaohuas Team im Rahmen dieser Mission nur einige Experimente durch. In Zukunft werden sie auch 3D-Wachstumsforschung an menschlichen induzierten pluripotenten Stammzellen in der Mikrogravitationsumgebung des Weltraums durchführen. Durch langfristige Kultivierung im Orbit, Vergleich und Analyse von Experimenten im Orbit und parallelen Kontrollexperimenten am Boden werden sie die Gesetze des 3D-Wachstums von Stammzellen in der Weltraumumgebung und den Mechanismus der Auswirkung der Mikrogravitation auf das Stammzellwachstum erforschen.