Mesenchymale Stammzellen: Quellen und therapeutisches Potenzial

Es sind 127 Jahren vergangen, seit Von Mangoldt erstmals einen „Epithelbrei“ aus geschabtem Epithel auf Wunden von verletzten Soldaten aufgetragen hat [1]. Das war die erste Zelltherapie, die in den Annalen der modernen Medizin dokumentiert wurde. Durch den steigenden Bedarf, degenerative Prozessen zu modulieren und Gewebe zu regenerieren, entstand im späten 20. Jahrhundert ein Boom von zellbasierten Therapien, die überwiegend auf Stammzellen fußten. Die Quellen und Typen von Stammzellen zur therapeutischen Anwendung wurden im Lauf dieser Entwicklung sehr komplex und divergent. Die Entdeckung der embryonalen Stammzellen (ESC) und induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSC) leitete den Fokus der regenerativen Medizin von den adulten Stammzellen weg. Letztere sind gut zugänglich und aus zahlreichen Nischen des Organismus einfach zu gewinnen. Zudem treten im Vergleich zu ESC und iPSC weniger zusätzliche Risiken auf wie ethische Herausforderungen, tumorigenes oder teratogenes Potenzial. Aus diesen Gründen rückten in den letzten Jahren die adulten Stammzellen als Basis für regenerative zellbasierte Therapien erneut in den Fokus. Dabei wird die Stammzellsubpopulation des mesenchymalen Stromas, die mesenchymalen Stammzellen (MSC), wahrscheinlich am häufigsten zur Anwendung gebracht. 

Selektion

MSCs finden sich in allen mesenchymalen Geweben. Sie sind als adhärente, proliferative, kolonieformende Zellen mit der Fähigkeit zur dreifachen Differenzierung und Immunmodulation definiert, die CD105, CD73 und CD90 exprimieren, aber nicht CD45, CD34, CD14, CD11b, CD79a, CD19 und HLA-DR (human leukocyte antigen – DR isotype). Diese Selek­tionskriterien wurden seitens der Internatio­nalen Gesellschaft für Zelltherapie (ISCT) postuliert und auf deren Basis 2008 ein minimales Selektionspanel für MSCs formuliert [2]. Das Panel wird bis heute benutzt, um MSCs von anderen, ähnlichen Zelltypen, z. B. Fibroblasten, abzugrenzen. Die Bestimmung der spezifischen Marker erfolgt meist durchflusszytometrisch.
CD105, CD73 und CD90 aus dem ISCT-Selektionspanel werden aber auch von mehreren anderen Zelltypen exprimiert [3]. Dies begrenzt die Selektionsspezifität. Daher werden weitere mit den MSC-Funktionen gekoppelte Marker vorgeschlagen: CD166 (ALCAM, activated leukocyte cell adhesion molecule, transmembranes Adhäsionsprotein), CD29 (integrin beta-1, involviert in Zelladhäsion), Toll-like receptors (TLR, Immunmodulation) oder TNF-alpha-Rezeptor 2 (TNFR2, Proliferation, Kolonienbildung, Immunmodulation), CD271, CD362, ABCB5 (ATP binding subfamily B member 5)[4].
 

Zusätzlich zur Markerexpression sind die MSC-Funktionen selbst – d. h. die antiinflammatorische Wirkung, Wundheilung, Neoangiogenese, Ausscheidung der anti-mikrobialen Peptide – Selektionskriterien.
Neben der ISCT-definierten dreifachen Differenzierung können sich die MSCs auch in endotheliale, Glattmuskel-, Herzmuskel- und sogar neuronale Abstammung differenzieren. Die Nachweisprozeduren für diese Kapazität sind zeit- und arbeitsintensiv, aber sie könnten die Selektion als Zusatzkriterium verfeinern.
Auch die Heterogenität der MSCs macht die Bestimmung spezifischer Marker komplexer. Der Entwicklungsstatus der MSCs reicht von ESC-ähnlichen bis hin zu Vorläuferzellen. Im Rahmen dieses ‚Portfolios‘ wurden Zellsubpopulationen identifiziert, die in der Entwicklung vor den MSCs stehen und in derselben Nische koexistieren [5]. Dazu gehören mesodermale adulte Progenitorenzellen (MAPC), aus dem (Knochen-)Mark isolierte Multistamm-induzierbare Zellen (MIAMI), Epiblasten-derivierte pluripotente Stammzellen und multipotente adulte Stammzellen (MASC). Alle benannten Subpopulationen exprimieren mit dem Oktamer-bindenden Transkriptionsfaktor 4 (Oct-4) und selektiv auch Rex-1, Nanog and SSEA-1 (specific embryonic antigen 1), Marker der ESCs. Um MSCs von den „ESC-ähnlichen MSCs“ unterscheiden zu können, bieten sich genau diese Marker als Zusatz zu den negativen Markern aus dem ISCT Panel an.
Das wirkliche Differenzierungsvermögen der MSCs ist weit höher als nur dreifach: Die Zellen sind multipotent. Das zeigt sich in dem hohen Potenzial, geschädigtes oder degeneriertes Gewebe zu ersetzen. Zusätzliche Funktionen der MSCs resultieren aus Zell-Zell-Kontakten und parakrinen Wirkungen, wodurch sie primär immunmodulatorische Effekte generieren und andere Zellen zu Proliferation und/oder Differenzierung führen können [6].

Therapeutisches Potenzial

Die erste offizielle klinische Studie mit einer MSC-basierten Therapie fand 1995 statt, ein rundes Jahrhundert nach der Erstbeschreibung der Von Mangoldt’schen Prozedur. Sie war der Startpunkt für mittlerweile 31 therapeutische Produkte mit Marktzulassung, davon 20 mit MSCs als Hauptbestandteil und 11 mit aus den MSC entstandenen Progenitoren [7]. Die Zahl von 31 Marktzulassungen wirkt möglicherweise nicht sehr beeindruckend, jedoch hat sich in vergangenen 18 Jahren eine intensive Entwicklungspipeline mit mehr als 900 klinischen Studien für MSC-basierte Therapien gebildet. 
Lange wurde das ursprünglich identifizierte Potenzial der MSCs für die Hauptwirkungsweise gehalten, nämlich das beschädigte Gewebe zu ersetzen, nachdem sie die Signale der Umgebung angenommen und sich entsprechend differenziert haben. In dieser Hinsicht sind die MSCs hervorragende Kandidaten für Gewebeersatz als sogenannte Tissue-Engineering-Produkte (TEPs). Nichtsdestotrotz ist die trophische Wirkungsweise, die in der Immunmodulierung, dem Proliferations- oder Differenzierungseinfluss resultiert, mindes­tens genauso bedeutend oder könnte die Hauptwirkungsweise der MSCs sein. MSCs interagieren mit anderen Zellen, inklusive T-Lymphozyten und dendritischen Immunzellen, mittels Zell-Zell-Kontakt oder auf parakrine Weise durch ausgeschiedene Mediatoren wie transforming growth factor beta 1 (TGFb1), hepatocyte growth factor (HGF), oder C-X-C motif chemokine ligand 10 (CXCL-10) und CXCL-12. Durch die parakrine Immunmodulation erzielen die MSCs eine antiinflammatorische Wirkung. Auf der parakrinen Wirkungsweise basiert eine vielversprechende Linie der zukünftigen MSC-Sekretom-relevanten Produkte ohne Zellen aus den isolierten extrazellulären Vesikeln (EV). Die immunmodulatorische Wirkung führt zur regulatorischen Einordnung der MSCs als Arzneimittel für die somatische Zelltherapie (Somatic Cell Therapy Medicinal Products, sCTMPs). Die Wirkungen als TEP und sCTMP qualifizieren MSCs als Arzneimittel für neuartige Therapien (Advanced Therapy Medicinal Products, ATMP) und dadurch als therapeutische Kandidaten für eine Vielzahl von Erkrankungen (siehe Kasten am Ende des Artikels).

Rechtliches

Dem europäischen Rechtsrahmen zufolge sind ATMP durch das Arzneimittelgesetz (AMG) und die Arzneimittel- und Wirkstoffherstellungsverordnung (AMWHV), Direktive 2001/83/EC, geregelt.Die Regelungen in den Vereinig­ten Staaten sind ähnlich und enthalten Fazilitationsmechanismen. Das amerikanische Pendant zur European Medicines Agency (EMA), die Food and Drug Administration (FDA), ordnet MSCs unter den biologischen Produkten durch 93/42/EEC.U.S. FDA Regulative, Sektion 351 des PHSA (Public Health Service Act) und des FDCA (Food and Drug Cosmetic Acts) ein. Durch den U. S. 21 Century Cures Act und im Rahmen des „Regenerative Medicine Advanced Therapy“(RMAT)-Programmes soll die Entwicklung der bio­logischen Produkte beschleunigt werden.
Wie bei allen zellbasierten Therapien und verwandten therapeutischen Produkten treten auch bei den MSC-basierten Therapien Herausforderungen durch regulatorische und applikative Anforderungen auf (Tab. 1).

Autolog versus heterolog

Die einfachste Art, MSCs anzuwenden, besteht in der autologen Nutzung von eigenen MSCs für die eigene Behandlung. Im Regelfall wird die autologe Anwendung keine Immunantwort provozieren. In nicht-autologen Anwendungen können MSCs durch eigene immunmodulatorische Wirkung die Möglichkeiten einer allogenen Transplantation generell erhöhen. Allerdings herrscht die generelle Meinung vor, dass die undifferenzierten MSCs kaum immunogene Oberflächenmarker exprimieren. Aus diesen Gründen wurden sie als hypoimmunogen (immunprivilegiert) eingestuft und als geeignete Kandidaten für autologe und heterologe off-the-shelf ATMPs angesehen. Jüngere Studien zeigten allerdings durchaus eine Immunabstoßung der heterologen MSCs. MSCs werden daher jetzt oft als immun­ausweichend eingestuft. Nicht unsichtbar aber auch nicht gleich abgestoßen mögen die MSCs in der Lage sein, eigene therapeutische Effekt auszuüben. In jedem Fall wurde bislang kein klinischer Vorteil von autologen über heterologe MSCs nachgewiesen [8]. 

Aktuelle Entwicklungen

Die Individualisierung ist ein wachsender Trend – auch in den regenerativen Therapien. Gleichzeitig wird die Reduktion der logistischen Komplexität und der Invasivität angestrebt. Insbesondere sind die Verminderung von Stress und Schmerz bei Spender:innen und Patient:innen wichtig. Auch eine komplexe Logistik, Terminredundanz und Reisen sind eine Herausforderung. Aus diesen Gründen wächst der Trend hin zu Point-of-care-Anwendungen, die die Präparation und Anwendung am selben Tag und Ort ermöglichen. Zudem wird eine Verringerung der erforderlichen Gewebemenge angestrebt. Das hat sowohl medizinische als auch wirtschaftliche Gründe.
Besondere wirtschaftliche Engpässe resultieren aus hohen Entwicklungs- und Herstellungskosten und aus der Komplexität. Dazu nimmt die Erfüllung des komplexen regulatorischen Rahmwerkes für die ATMPs viel Zeit in Anspruch und ordnet sie dadurch unter die hochriskanten Investitionen ein. All dies führt oft zu angespannten, privatfinanzierten und turbulenten finanziellen Konstrukten.

Herkunft der MSC

Mehrere Gewebe sind als Quellen der MSCs identifiziert worden und werden häufig verwendet. Typische Nachteile praktisch aller genutzten oder bekannten Quellen sind entweder die Invasivität, die limitierte Verfügbarkeit oder die niedrigen Zellzahlen als Ausbeute. 
Wahrscheinlich am häufigsten werden MSCs aus dem Knochenmark, der zuerst benutzen Quelle der MSCs, als Goldstandard gewonnen.  Das Knochenmark wird aus dem Hüftknochen mittels einer Biopsie aspiriert. Die Prozedur ist schmerzhaft und hinterlässt traumatisiertes Gewebe, ein Hämatom sowie einen potenziellen Infektionsweg.
Die zweithäufigste Quelle, Fettgewebe, wird durch Lipoaspiration gewonnen. Dabei erreicht eine hypodermale Nadel das Fettgewebe, reißt es auseinander und aspiriert es zusammen mit den MSCs. Lipoaspiration liefert kleinere Mengen von MSCs als die Knochenmarkaspiration, verursacht aber weniger Stress, obwohl sie unangenehm ist. MSCs aus dem Fettgewebe haben zudem ein geringeres Differenzierungspotenzial als die Knochenmark-MSCs.
Aus mehreren weiteren Quellen können nur kleinere Mengen MSCs gewonnen werden oder sie unterliegen anderen Einschränkungen. Peripheres Blut enthält MSCs in geringeren Mengen, die sich isolieren lassen. Die Zahnpulpa präsentiert auch eine gelegentlich verfügbare Quelle von MSCs. Auch in der Amnionflüssigkeit sind MSCs verfügbar und können mittels Amniozentese gewonnen werden, meist bei einer medizinisch begründeten Indikation.

Nabelschnur und Plazenta wiederum bieten eine eindeutig nichtinvasiv erreichbare Quelle an. Aus dem Nabelschnurblut sowie aus den Geweben der Nabelschnur und aus der Plazenta lassen sich MSCs isolieren und kultivieren. Leider sind diese Quellen nur unmittelbar post partum verfügbar. 
Die einzigen bekannten dauerhaft und nichtinvasiv verfügbaren Quellen der MSCs sind der Urin und die Haarfollikel. Der Urin ist nicht relevant für die praktische Anwendung, da er nur geringe Mengen an MSCs aufweist und dadurch in hohen Mengen gesammelt werden muss, um ausreichende Zellzahlen zu erreichen.  

MSCs aus ORS

Haarfollikel, genauer: deren äußere Haarwurzelscheide (Outer Root Sheath, ORS) sind ein heterogenes Reservoir unterschiedlicher Stammzellen inklusive MSCs. Eine minimale Sammelprobe (eine 5.000-mal kleinere Menge als zum Beispiel bei Entnahme aus dem Fettgewebe) ist durch Zupfen der Haare aus dem temporalen Bereich des Kopfes zu gewinnen. Ex vivo verlassen die MSCs die ORS über Migration und können dadurch isoliert und in vitro kultiviert werden. Sie sind hochskalierbar, haben eine gute In-vitro-Haltbarkeit und ertragen Kryo­konservierung sehr gut. 
Die De-novo-Kultivierung und Skalierung der Zellen bis hin zu klinisch relevanten Zahlen dauern meistens länger als vier Wochen. Innerhalb dieses Zeitrahmens müssen MSCs aber zum Beispiel zur Vermeidung von Narbengewebe appliziert werden. Daher sind De-novo-Zellen für akute Beschwerden oder Verletzungen wenig brauchbar. Frisch gesammelte und kultivierte Zellen bieten sich nur zur Behandlung chronischer Beschwerden an.
Zellbanken halten bereits vorbereitete Zellen kryopreserviert vor und ermöglichen eine schnelle Reaktion auf akute und chronische Beschwerden. Die Lagerung der Zellen erfolgt nach der Probensammlung des biologischen Materials über die Isolation und Skalierung bis hin zur Kryopreservierung zum Zweck einer potenziellen therapeutischen Anwendung. Die kryopreservierten Zellen können aufgetaut, kurz kultiviert und innerhalb von 48 Stunden therapeutisch eingesetzt werden. 
Bis heute waren die Quellen des biologischen Materials für die Gewinnung und Lagerung der MSCs entweder invasiv erreichbar, zum Beispiel das Knochenmark, oder nichtinvasiv, aber nur einmal im Leben verfügbar, wie Nabelschnur und Plazenta. Die letzteren beiden Optionen sind durch die einmalige Verfügbarkeit limitiert und werden daher über ein aggressives Geschäftskonzept vermarktet. Die einzige bekannte dauerhaft und nicht-invasiv verfügbare Quelle der MSCs, die praktikabel ist, sind die Haarfollikel. Die Haarfollikel-derivierten MSCs bieten für die personalisierte Therapie auch weitere Vorteile: die Verringerung der Probengröße, des Schmerzes und der Irritation während der Probenentnahme sowie eine sehr rasante Skalierung in vitro. Der Zeitpunkt der Entnahme ist beliebig: Sie ist auch im fortgeschrittenen Alter möglich; vor dem Beginn von erwarteten oder bei vorliegenden Beschwerden. Er wird bei Bedarf durch eine bewusste Entscheidung bestimmt, je nach Gesundheitsrisiken, Beschäftigungsrisiken oder einfach nach finanzieller Lage.

Fazit

Derzeit können die „klassischen“ Quellen der MSCs für therapeutische Zwecke und die marktzugelassenen ATMPs noch nicht durch Alternativen ersetzt werden, da es sich um längst etablierte Therapien und Produkte mit getesteten Herstellungs- und Anwendungsabläufen handelt. Die Entwicklung von therapeutischen Produkten aus den alternativen Quellen der MSCs wird mit Sicherheit noch Zeit in Anspruch nehmen. Ihr Potenzial wird, zusammen mit den eindeutigen Vorteilen, die sie mit sich bringen, erst zu einem viel späteren Zeitpunkt genutzt werden können.