B I O T E C H N I K Die Forschung mit der Maus

Die US-Regierung will bald Experimente an embryonalen Stammzellen von Menschen fördern. An Mäusen lässt sich studieren, wohin die Biotechnik führt

Seit zehn Minuten sitzt Caroline Samuel über dem Binokular und rührt sich nicht. Fast nicht. Vorsichtig dreht sie etwas an den Stellschrauben von zwei Mikromanipulatoren. Die Präzisionsinstrumente ragen in eine Glasschale voll klarer Flüssigkeit unter der Optik. Schließlich richtet die irische Labortechnikerin sich auf und winkt: "Have a look." Erst in der Optik kann man sehen, was sich in der Flüssigkeit getan hat. Am Ende einer filigranen Hohlnadel aus Glas klebt ein hohles Kügelchen. In das Gebilde hat sie eine noch feinere Glaskapillare gestochen. In der Kapillare liegen aufgereiht zehn winzige Zellen. Noch eine behutsame Einstellung am Gerät, und langsam wandern die Zellen eine nach der anderen ins Innere der Hohlkugel. "Okay, that's it."

Caroline Samuel hat gerade eine Maus gemacht. Eine ganz besondere. Diese Maus entsteht nur aus embryonalen Stammzellen (ES-Zellen), aus seit langer Zeit in den Brutschränken der Zellbiologen kultivierten Embryozellen. Jede Einzelne der vielen Milliarden Mauszellen, jedes Gewebe wird aus diesen Stammzellen hervorgehen, die Samuel in die Hohlkugel gespritzt hat.

Solche Tiere, von den Forschern kurz ES-Mäuse getauft, gehören zum technisch Raffiniertesten, was die Bioforschung derzeit zu bieten hat. Und sie zeigen deutlich, welch wundersame Kräfte in embryonalen Stammzellen wirklich stecken - sie können nicht nur Wunden und Krankheiten heilen, sondern sogar ein vollständiges Lebewesen hervorbringen. Gesteuert von weithin unverstandenen genetischen Befehlen, vermehren sie sich, bilden komplexe Strukturen und formen Haut, Muskeln, Leber, Blut oder Hirn.

Kein Wunder, dass solche ES-Zellen Fantasie und Begehrlichkeit von Forschern beflügeln: Wenn sie nur einen Bruchteil dessen, was bereits im Mausexperiment gelingt, auch auf die Humanmedizin übertragen könnten, dann wäre dies eine Revolution. Darum möchten deutsche Wissenschaftler menschliche embryonale Stammzellen wenigstens importieren dürfen; ihre amerikanischen Kollegen können solche ES-Zellen bald mit staatlicher Unterstützung erforschen (siehe Kasten nächste Seite). Doch wo viel Hoffnung ist, da herrscht auch viel Unsicherheit. Zwar sind Mensch und Maus warmblütige Säuger, deren Erbgut zu 85 Prozent übereinstimmt. Doch was heißt das schon, wenn wenige Prozent bereits den Unterschied zwischen Mensch und Affen ausmachen? Mice tell lies, Mäuse lügen, sagen Pharmaforscher aus leidvoller Erfahrung.

Genforscher wie Craig Venter sind dennoch davon überzeugt, dass "das Mausgenom entscheidend ist für das Verständnis des menschlichen Genoms". Seine Firma Celera hat außer dem Genom des Menschen auch jenes der Maus sequenziert. An den Nagern lassen sich schrittweise jedes einzelne Gen und seine Aufgabe im Körper studieren. Hierzu schalten die Forscher jeweils ein Gen im Erbgut aus und beobachten, was dann mit der Maus geschieht. Knock-out heißt dieses Ausschalten einzelner Gene, die Tiere entsprechend K.-o.-Mäuse. In der Pharmawelt wimmelt es von K.-o.-Mäusen. Denn oft steht ein defektes Gen für eine schwere Krankheit wie Diabetes oder Krebs. Grundlagenforscher wollen für jedes einzelne Gen die dazu passende K.-o.-Maus untersuchen. Und wenn ein interessantes menschliches Gen in der Maus nicht vorkommt, dann erhält sie eben ein solches zusätzlich verpasst. Knock-in heißt dieses Verfahren.

Die Nager leiden an Alzheimer

Zum Einfügen oder Ausschalten von Genen sind Stammzellen hervorragend geeignet. Deshalb schaut auch unsere Labortechnikerin Caroline Samuel so geduldig ins Binokular: Ihre Firma Artemis Pharmaceuticals produziert mit genveränderten embryonalen Stammzellen K.-o.-Mäuse für die Grundlagenforschung. Zu den Gründern von Artemis Pharmaceuticals, einem jungen Bio-Tech-Unternehmen in Köln, gehören die Nobelpreisträgerin Christiane Nüsslein-Volhard und der weltweit anerkannte Mausgenetiker Klaus Rajewski.

Längst ist die Produktion solcher Tiere ein Geschäft im nahezu industriellen Maßstab geworden. Für die notwendigen Zuchtexemplare einer speziellen genetischen Mäuselinie sind bei kommerziellen Züchtern bis zu 80 000 Mark fällig. Das Geschäft boomt, die Tiere werden zum Studium der Vielzahl krankheitsrelevanter Gene dringend gebraucht. "Gerade für die Erforschung von Krankheiten mit komplexer genetischer Veranlagung", meint der Kreislaufforscher Detlev Ganten, "ist die Bedeutung dieser Tiere stark gestiegen." Ob Alzheimer oder Bluthochdruck - kaum ein Bereich in der medizinischen Grundlagenforschung kommt inzwischen ohne genveränderte Mäuse aus.

So besitzt die irische Firma Elan eine Mäusesorte, deren Hirnzellen sich ähnlich verändern wie bei menschlichen Alzheimer-Patienten. Die zerstörerischen Ablagerungen im Mäusehirn (Plaques) ließen sich mit einer Impfung wieder auflösen. Der Impfstoff wird nun in ersten klinischen Versuchen an Menschen auf seine Verträglichkeit getestet.

Die Tatsache, dass sich aus embryonalen Stammzellen ganze Mäuse entwickeln, führt zu der politisch spannenden Frage: Sind ES-Zellen genauso totipotent wie die Zellen eines frühen Embryos? Totipotente Zellen sind nach dem deutschen Embryonenschutzgesetz tabu, menschliche ES-Zellen dürften dann weder importiert noch beforscht werden. Doch zur echten Totipotenz fehlt den ES-Zellen aus den Labors eine entscheidende Fähigkeit: Sie können kein Nährgewebe (Plazenta oder Mutterkuchen) mehr bilden für den Embryo. Deshalb müssen die Mäusezüchter die Plazenta beisteuern. Entsprechend gelten ES-Zellen nicht als toti-, sondern als pluripotent: Aus ihnen kann zwar ein ganzes Lebewesen wachsen, aber sie benötigen Hilfe. Diese ist nicht besonders aufwändig, sie stammt von einem gezielt veränderten Mausembryo, der zwar eine Plazenta, aber keine Maus mehr bilden kann. Hierfür lässt man eine befruchtete Eizelle sich entwickeln bis zur ersten Teilung. Der zweizellige Embryo wird dann mit einem Elektroschock wieder zu einer Zelle verschmolzen. Dann wächst er zu jener winzigen Hohlkugel heran, in die Caroline Samuel die zehn ES-Zellen übertragen hat. Aus der Hohlkugel entsteht später die Plazenta. Ihren eigenen Embryo kann die Kugel nicht mehr bilden, weil ihr Erbgut infolge der erzwungenen Verschmelzung doppelt vorliegt. Stattdessen übernimmt die eingeschleuste DNA der Stammzellen die Regie und bildet die Maus. Neben den zelltechnischen Eingriffen bedarf es dann noch einer Mausmutter, in deren Uterus der künstliche Embryo heranwachsen kann.

Das klingt recht einfach, in der Praxis jedoch ist das Züchten und Nutzen von Stammzellen mehr Kunst als Wissenschaft. Zwar ist den Biologen schon 1981 die erste Zucht von Mausembryozellen gelungen, doch lange Zeit waren dies die einzigen verfügbaren ES-Zellen. Inzwischen gibt es rund 20 genau charakterisierte Mauszelllinien, viele weitere dürften in den Labors rund um den Globus vorrätig sein. Trotzdem bleibt die ES-Zellforschung ein schwieriges Geschäft. So ist es bis heute rätselhaft, warum sich die heiklen ES-Zellen nur von bestimmten Mausrassen gewinnen lassen, während sich die Zellen anderer Rassen der Züchtung hartnäckig widersetzen.

Als höchst diffizil hat sich auch die Herstellung solcher Zellen von anderen Tieren erwiesen. Diese Hürde kennt beispielsweise Detlev Ganten sehr genau. Bis heute ist seinem Team am Berliner Max-Delbrück-Zentrum die Gewinnung von Ratten-ES-Zellen nicht geglückt, auch schottische Kollegen arbeiten seit langer Zeit vergeblich daran. Ratten gelten als ideale Versuchstiere, um den Ursachen von menschlichen Herz-Kreislauf-Leiden wie Bluthochdruck auf die Spur zu kommen. Daher stehen genmanipulierte K.-o.-Ratten ganz oben auf der Wunschliste der Herzforscher. Bei der Ursache der Fehlschläge tappen die Experten im Dunkeln. "Wenn wir das wüssten", seufzt Ganten, "hätten wir längst Erfolg gehabt."

Auch die Gewinnung menschlicher ES-Zellen galt lange Zeit als praktisch aussichtslos, bis dem Amerikaner James Thomson und seinen Kollegen diese Pionierarbeit dann doch vor drei Jahren glückte. Erst seitdem rückte die Stammzellforschung in den Blickpunkt und mit ihr die ethischen Streitfragen bei der Produktion solcher Zellen aus Embryonen. Die Heilsversprechen, die sich an die humanen ES-Zellen knüpfen, beruhen vor allem auf Ergebnissen von Untersuchungen ihrer Pendants, jenen von der Maus.

Diese haben sich als äußerst vielseitig entpuppt. So konnten die Experten aus Mausembryozellen fast 20 verschiedene Zelltypen züchten. Das Spektrum reicht von Herz- über Fett-, Nerven- und Muskelzellen bis hin zu Blut oder Knochen bildenden Zellen. Und eine Reihe aufsehenerregender Experimente belegen inzwischen auch die Heilkraft solcher Zuchtzellen. Dem Bonner Neuroforscher Oliver Brüstle gelang mit gezüchteten Nervenzellen eine Behandlung bei Mäusen mit einer Erkrankung, die der multiplen Sklerose stark ähnelt. Forscher in Chicago konnten mit Stammzellen die Gedächtnisleistung von senilen Versuchstieren verbessern. Hoffnungsfroh stimmen auch die Experimente des Kölner Herzforschers Jürgen Hescheler, der kürzlich Aufsehen erregte, weil er bereits menschliche ES-Zellen aus den USA nach Deutschland importiert hatte. Den Kölner Experten gelang die Reparatur von Infarktschäden bei Mäusen, zuerst mit embryonalen Herzzellen und darauf auch mit aus ES-Zellen gezüchteten Herzmuskelzellen.

Inzwischen lassen auch die ersten Befunde an humanen ES-Zellen auf Linderung von Erkrankungen des Menschen hoffen. Die Erfolgsmeldungen kommen aus dem Labor des israelischen Stammzellexperten Joseph Itskovitz-Eldor: Ihm glückte erst die Zucht von Insulin produzierenden Zellen der Bauchspeicheldrüse. Kurz danach meldeten die Experten in Haifa auch die Herstellung von Herzmuskelzellen und stellten ein Video ins Internet: Es zeigt rhythmisch pulsierende Herzzellen aus dem Labor. Solch erste, mit großer Vorsicht zu betrachtenden Erfolge fördern den Wunsch vieler Wissenschaftler, ihre an Mäusen gewonnenen Erkenntnisse nun auch an menschlichen Zellen zu erproben - ein zwingender Schritt, sollten die Experimente je zu Heilverfahren führen.

Doch bis dahin ist noch ein sehr langer Weg. Die Zucht humaner ES-Zellen ist extrem schwierig - noch sind die Bedingungen für die erfolgreiche Vermehrung solcher Zellen längst nicht ausgelotet. "Das ist richtig tricky", sagt der Göttinger Max-Planck-Forscher Michael Kessel. Ein jüngst veröffentlichter Report der Nationalen Gesundheitsinstitute der USA (NIH) über Stammzellen stellt fest, dass diese in der Regel noch nicht zur Heilung taugen. Vor einer Transplantation müssen sie zunächst einmal differenziert werden in die benötigten Nerven-, Muskel- oder Leberzellen. Hier gebe es "noch mehr Fragen als Antworten". Eine Schlüsselerkenntnis sei, dass beim Züchten differenzierter Zellen aus Stammzellen "relativ subtile Änderungen in den Kulturbedingungen dramatische Einflüsse haben können auf die entstehenden Zelltypen". Probieren ist Trumpf.

Menschen aus Stammzellen?

Die Züchter humaner Stammzellen wissen noch nicht einmal, ob die grundlegende und in der Politik heftig diskutierte Unterscheidung zwischen embryonalen und adulten (erwachsenen) Stammzellen aufrechtzuerhalten ist. Die Hinweise mehren sich, dass es vielleicht sogar nur einen, universalen Typ von Stammzellen geben könnte. Deren Eigenschaften wären jeweils geprägt von der unmittelbaren Umgebung: Im ausdifferenzierten Gewebe, etwa im Hirn, könnten sie nur Hirnzellen ersetzen. Verpflanzt man sie hingegen in einen Embryo oder in eine Eizelle, dann werden sie pluri- oder gar totipotent. Sind Stammzellen Relikte aus einer frühen Entwicklungsphase, die bei lokalen Verletzungen heilend einspringen? Man weiß es nicht genau. Um humane Stammzellen dereinst therapeutisch einsetzen zu können, muss auch das Problem der Abstoßungsreaktion überwunden werden. Da die gezüchteten Embryozellen nicht aus dem eigenen Körper der Patienten stammen, wird deren Immunsystem die transplantierten Zuchtzellen als fremde erkennen und abstoßen. Mindestens 500 unterschiedliche ES-Zellen, so schätzt der Stammzellpionier James Thomson, seien erforderlich, um das Abstoßungsproblem einigermaßen in den Griff zu bekommen. Je größer der Vorrat verschiedener Ziellinien, desto eher lassen sich für die meisten Patienten genetisch ähnliche Zellen finden, desto leichter sind Abstoßungsreaktionen medikamentös beherrschbar.

Sollte das Errichten von Stammzellbanken misslingen, dann bliebe das therapeutische Klonen als Ausweg: Dabei müssten die Zellen jedes Patienten erst à la Dolly geklont und nachher in Stammzellen verwandelt werden - ein aufwändiges und extrem teures Verfahren.

Schließlich bliebe noch die Frage, ob sich mit humanen ES-Zellen genauso Menschen machen lassen, wie Caroline Samuel in den Labors von Artemis mit Mäusestammzellen Mäuse macht. Zwar beschwören Biologen immer wieder, humane Stammzellen seien nicht totipotent, taugten mithin nicht zur Schaffung von Menschen. Doch was wäre, wenn ein verrückter Antinori oder die Sekte der Raëlianer nach dem Vorbild der K.-o.-Maus-Herstellung am Ende doch aus humanen ES-Zellen ein Kind schafft? Und wenn man von dem beliebig viele Klone herstellen könnte, weil ES-Zellen millionenfach in einer Kulturschale wachsen?

Der Chef von Caroline Samuel bei Artemis, der Zellbiologe Ralf Kühn hebt entsetzt die Hände. "Ich weiß nicht, ob das geht", ruft er, "lasst die Finger von menschlichen Zellen!" Ähnlich abwehrend reagiert der Göttinger Fachmann Herbert Jäckle. Völlig auszuschließen sei nicht, dass man so auch Menschen produzieren kann, schlimmstenfalls sogar nach gezielter gentechnischer Veränderung. "Aber ich möchte nicht einer Generation angehören, die so etwas zugelassen hat", sagt er.