Viabilität und Charakterisierung von Stammzellen R.G. Turan
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Transcript of Viabilität und Charakterisierung von Stammzellen R.G. Turan
Viabilität und Charakterisierung von Stammzellen
R.G. Turan
Bone Marrow Nerve Cells Heart Muscle Cells
Pancreatic Islet Cells
Was sind Stammzellen ?
Wie kann man sie gewinnen ?
Wie kann man sie nutzen ?
STAMMZELLEN…
„Relatively undifferentiated cells of the same lineage that retain the ability to divide and cycle throughout postnatal life to provide cells that can become specialized and take the place of those that die or are lost.“ (NCBI MESH Definition, 1984)
Relativ undifferenzierte derselben Linie, welche auch nach der Geburt die Fähigkeit behalten haben, sich zu teilen und einen Zyklus zu durchlaufen. In diesem Zyklus entstehen Zellen, welche sich spezialisieren und verlorene Zellen ersetzen können.
Eigenschaften von Stammzellen
Können alle Zellarten formen
Können sich selbst erhalten
Können Gruppen von Zellarten formen
Von einer Zelle zum Organismus
Bone Marrow Nerve Cells Heart Muscle Cells
Pancreatic Islet Cells
„Um das Leben der Menschen zu verlängern“
(Individiuum/Spezies)
Organregeneration
Organreparatur
Organersatz
Klonen
Warum Stammzellen?
Embryonale Stammzellen
Fetale Stammzellen
Neonatale Stammzellen
Adulte Stammzellen
STAMMZELLEN
Zel
lzah
l
Fäh
igke
iten
Befruchtete Eizelle (Zygote)• bildet einen kompletten funktionsfähigen
Organismus• Vorkommen: nach der Befruchtung
Embryonale Stammzellen• können einen Verbund von Organsystemen
bilden• Vorkommen: Blastozyten, Keimblätter
Fetale Stammzellen• können Organsysteme bilden• Vorkommen: Organanlagen
Neonatale Stammzellen• Blutbildung und weitere Fähigkeiten• Vorkommen: : NabelschnurblutAdulte Stammzellen• Blutbildung und weitere Fähigkeiten• Vorkommen: : KM, PB, Haut, Gehirn, Leber, ...
Embryonale Stammzellen
Therapeutisches Klonen
Embryonale Stammzellen
Vorteile: Nachteile:
• Können beliebige Körperzellen formen
• Unsterblich als Zelllinie
• Gewinnung einfach, aus überflüssigen Embryos bei der in-vitro-Befruchtung
• Differenzierungsprozess ist schwer zu kontrollieren
• Eventuelle Abstoßung durch Empfänger (nicht autolog)
• Ethische Probleme bei Gewinnung
Neonatale Stammzellen
Neonatale Stammzellen
• Leukämie
• Diabetes ?
• Parkinson ?
• Hautersatz ?
• Rheuma ?
• Schlaganfall ?
• Myokardinfarkt
• Krebs ?
Vorteile: Nachteile:
• Einfach und risikolos zu gewinnen
• Keine ethischen Probleme
• Autolog und heterolog einsetzbar
• Nur bei der Geburt zu gewinnen
• Nur begrenzte Menge
• Weniger Plastizität als embryonale Stamm-zellen• Meist frei von Viren
• Frei von Tumorzellen
Neonatale Stammzellen
Adulte StammzellenDefinition
• Adulte Stammzellen sind undifferenzierte Zellen, die in differenzierten Geweben erwachsener Organismen vorkommen und dort gewebespezifische Zellen und neue adulte Stammzellen bilden.
• Quellen sind Knochenmark, Blut, Hornhaut und Netzhaut des Auges, Gehirn, Skelett-muskeln, Zahnmark, Leber, Haut, Darmwand und Bauchspeicheldrüse.
Adulte StammzellenPlastizität
…Fähigkeiten von
adulten Stamm-
zellen, die aus
einem Gewebe
gewonnen
wurden, Zellen
eines anderen
Gewebe zu bilden
Adulte StammzellenGewinnung
KM-Biopsie PB
Vorteile: Nachteile:
• Mehrfach zu gewinnen
• Große Zellzahl
• Ethisch unbedenklich
• Infektionsrisiko
• Allogene Abstoßung
• Können sich begrenzt vermehren
• Bessere Kontrolle als ES
Adulte Stammzellen
Detektion von Stammzellen
CD34
CD133
CD34+CD38-
CD34+Sca1+Lin-
Thy-1
Nestin
SSEA-3
SSEA-4
BMPR
…..
Detektion von StammzellenFACS
Migrationsassay
Isolation of MNCs
3x106 Cells/ml
Boyden chamber
M em bran with porosities
Upper cham ber with cells
lower cham ber with chem okine(SDF or VEGF)
Migration
with SDF
Migration
with VEGF
Migration without
chemokine
blood orbone marrow
Mononucleare cells
blood orbone marrow
Isolation of MNCs
Mononucleare cells Methylcellulose
1x105 Cells/ml
Colony Forming Unit (CFU)
CFU (granulozyten
and macrophages)
CFU (erythrozytes)
after Incubation (14 days)
Mobilisierung von Stamm- und Progenitorzellen aus dem Knochenmark
0
100
200
300
400
500
600
20 40 60 80
Age (years)
CD
34/C
D45
+ B
M-E
PC
s (/
1x10
6
WB
Cs)
r = -0,58
p < 0,001
0
20
40
60
80
100
120
20 40 60 80
Age (years)
CD
133/
CD
45+
BM
-EP
Cs
(/1x
106
WB
Cs)
r = -0,43
p = 0,003
0
100
200
300
400
500
600
0 20 40 60 80 100
Infarct size (%)
CD
34/4
5+ B
M-E
PC
s (/
1x10
^6
WB
Cs)
r = -0,81
p < 0,001
0
20
40
60
80
100
120
0 50 100
infarct size (%)
CD
133/
45+
BM
-EP
Cs
(/1x
106
WB
Cs)
r = -0,54
p < 0,001
0
100
200
300
400
500
600
20 40 60 80
global EF(%)
CD
34/4
5+ B
M-E
PC
s (/
1x10
6
WB
Cs)
r = 0,71
p < 0,001
0
20
40
60
80
100
120
20 40 60 80
global EF (%)
CD
133/
45+
BM
-EP
Cs
(/1x
106
WB
Cs)
r = 0,40
p = 0,006
Die Anzahl von CD34 und CD133 im PB bei Patienten mit AMI vor, mitte sowie nach der REHA (n=17)
CD34
CD34
CD34
CD133CD133
CD133
0
50
100
150
200
250
300
350
400
CD
34
/CD
13
3+
(1
0^
6 W
BC
)
CD34 245 298 369
CD133 46 68 100
vor REHA mitte REHA nach REHA
Die Anzahl der CD34 und CD133 bei Pat.mit AMI ohne REHA (n=5)
CD34
CD34
CD133 CD133
0
50
100
150
200
250
CD
34
+/C
D1
33
+ (
10
^6
WB
C)
CD34 220 200
CD133 60 65
10 Tage nach AMI nach 3 Wochen
Migrationsassay bei Pat.mit AMI vor und nach REHA (n=17)
0
50
100
150
200
250
300
350
Mig
rie
rte
Ze
lle
n i
n %
SDF (100ng/ml) 136 232
VEGF (100ng/ml) 151 302
vor REHA nach REHA
Migrationsassay bei Pat.mit AMI ohne REHA (n=5)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Mig
rie
rte Z
ell
en
%
SDF (100ng/ml) 132 112
VEGF (100ng/ml) 142 118
vor REHA nach REHA
Mobilisation of BM-cEPCs in PB
Bone marrow (BM)
Myocardial regeneration
Acute Myocardial Infarction (AMI)
• Mobilisation nach AMI von KM ins PB
• Altersabhängig
• Positiver Einfluss auf die Mobilisation der Stammzellen durch regelmäßige körperliche Aktivität
• Mehrere Faktoren wie CVRF, Infarktgröße, Entzündungs-parameter (CRP, Leuk.)
Applikationsformen bei der Zelltherapie der
koronaren Herzerkrankung
Koronare Zelltherapie bei AMI
Referenz
Strauer et al.(Circ 2000)
(AHA 2003)*
Assmus et al.(Circ 2000)
(JACC 2004)*
Wollert et al.
Zelltyp
BMC (40 ml) vs Kontrolle
BMC (50 ml) vs EPC (250 ml) vs Kontrolle
BMC vs Kontrolle
Pat.(n)
10
40
20
59
60
Effekte
• Hypokinetisches Areal • Kontraktilität Infarktregion (LVA)
• Endsystol. Volumen (LVA)• Perfusion (TI-Szintigraphie)
• Globale + regionale EF (LVA, MRT, Echo)
• Endsystol. Volumen • Vitalität (PET, MRT)• Koronare Flussreserve (i.c. Doppler)
• Globale EF (MRT)
*aktualisierte Anzahl an Patienten, Scientific Sessions, AHA, 2003
Zelltherapie: Patienten mit ischämischer Kardiomyopathie
Referenz
Interventionell
(AHA 2004)*
Perkutan-interventionell
Tse et al.
Fuchs et al.
Perin et a.
Zelltyp
BMC (40 ml) vs Kontrolle
BMC (40 ml)
BMC
BMC vs Kontrolle
Pat. (n)
Intrakoronare Injektion
20
Intramyokardiale Injektion (NOGA)
8
10
14
Effekte
• Endsystol. Volumen (LVA)• Perfusion (TI-Szintigraphie)
• Regionale Wandbewegung undDickenzunahme (LVA)
• Stress-induzierte Ischämie (MRT)
• Globale EF (LVA, Echo)• Endsystol. Volumen
A. femoralis communis
M. quadriceps femoris
M. gastrocnemius
Zelltherapie: Patienten mit pAVK
Zelltherapie: Patienten mit pAVKKnöchel-Arm-Index
0,7
0,6
0,8 0,8
00,10,20,30,40,50,60,70,80,9
in Ruhe nach Belastung
p=0,012 p=0,008
vor Transplantation 2,2 ± 0,4 Monate nach Transplantation
Totale Gehstrecke(Laufband, 12% Steigung, 2 km/h)
122
424
050
100150200250300350400450
Gehstrecke
Me
ter
p=0,005
O2-Sättigung in 12 mm Tiefe
5753
6764
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Oberschenkel Unterschenkel
p=0,008 p=0,012
Venenverschlußplethysmographie
2
5
2,7
6,7
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Arterielle Ruhedurchblutung Reaktive Hyperämie
ml/1
00m
l Gew
ebe/
min
p=0,008
p=0,011
vor Transplantation 2,2 ± 0,4 Monate nach Transplantation
Schwere AutoimmunerkrankungenAussicht auf Heilung durch Stammzellen
Diabetes Typ IH. Zulewski, Ther Umschau 2002
Multiple SkleroseA. Fassas, J Neurol 2002
Morbus Crohnwww.pr.uni-freiburg.de
Rheumatoide ArthritisR. Verburg, Arthritis Rheum 2001
Lupus erythematosusN.M. Wulffrath, Arthritis Rheum 2001
Mögliche Einsatzgebiete der Zelltherapie
Nervenzellen:• Schlaganfall, multiple Sklerose, Alzheimer, Parkinson, etc.
Endothelzellen:• Arteriosklerose, ischämische Bereiche des Gehirns,
Schlaganfall, etc.
Kardiomyozyten:• Herzinfarkt, chronische Herzerkrankung
Fibrolasten und Keratinozyten:• Wundkrankheiten, Hautverbrennungen
Chondrozyten:• Osteoarthritis oder rheumatischer Arthritis
Time Line
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
Heart Infarct
Stroke/ParkinsonDiabetes
Artificial Liver
Heart FailureLiver Replacement
AlzheimerHuntington
Spinal Cord Injury
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit