Stammzellkonzept der Hämatopoese und deren Regulation

Die Entwicklung der Hämatopoese ist in einem streng hierarchischen System von Stamm- und Progenitorzellen reguliert (Aggarwal et al. 2012). Eine kleine Population (ca. 0,003 % der Knochenmarkzellen) von pluripotenten hämatopoetischen Stammzellen (HSZ) ist charakterisiert durch:

In experimentellen Modellen konnte gezeigt werden, dass die Transplantation einer einzigen HSZ in eine supraletal bestrahlte Maus ausreichend und in der Lage ist, lebenslang deren komplette Hämatopoese zu rekonstituieren. Die nächste Stufe in der Hierarchie der Hämatopoese stellen Progenitorzellen (PZ) dar, die bei hohem Proliferationsvermögen nur mehr eine geringe bis fehlende Selbsterneuerungskapazität besitzen. Unreifere mulitpotente PZ können Tochterzellen aus mehreren hämatopoetischen Zellreihen (myelomonozytär, erythroid/megakaryozytär) bilden, unipotente PZ sind auf die Bildung einer Zellreihe beschränkt. Frühzeitig in der Stammzellhierarchie spaltet sich eine gemeinsame lymphatische Vorläuferzelle ab, die die Entwicklung von reifen B- und T-Lymphozyten im Mikromilieu des Knochenmarks bzw. des Thymus gewährleistet. Nach weiterer Differenzierung in morphologisch definierbare Zellen der Blutbildung im Knochenmark erfolgt schließlich die Ausschwemmung von funktionstüchtigen reifen Blutzellen in die Peripherie.

Um eine lebenslange Hämatopoese aufrechterhalten zu können, sind mehrere biologische Eigenschaften von HSZ erforderlich. Die unikale Fähigkeit der Selbsterneuerung (Zellteilung ohne gleichzeitige Differenzierung) verhindert eine Depletion des Stammzellpools (Catlin et al. 2011). Die Zellteilung erfolgt bei HSZ in der Regel asymmetrisch. Darunter versteht man einen Teilungsprozess, bei dem nur eine Tochterzelle in den Differenzierungsweg der Hämatopoese eintritt und weiter proliferiert, während die 2. Tochterzelle auf dem Niveau der Stammzelle erhalten bleibt und diese 1:1 ersetzt. Nach einem stochastischen Modell können sich HSZ aber auch symmetrisch in Stammzellen oder Progenitorzellen teilen und so den Stammzellpool auffüllen oder auf einen vermehrten Bedarf von differenzierten Blutzellen als Reaktion auf eine exogene Schädigung antworten. Für die Aufrechterhaltung einer lebenslangen Teilungsfähigkeit („Unsterblichkeit“) von Stammzellen muss eine Verkürzung der Telomere verhindert werden. Dies wird durch eine konstitutive Aktivierung von Telomerase in HSZ gewährleistet. HSZ befinden sich überwiegend in der Ruhephase (G0-Phase) des Zellzyklus. Dadurch wird eine Erschöpfung des Stammzellpools durch ständige Proliferation verhindert. Außerdem werden HSZ im Ruhezustand vor genotoxischen exogenen Einflüssen und dem Risiko einer DNA-Schädigung im Rahmen der Zellteilung geschützt. Für die Erhaltung einer stabilen Hämatopoese im gesamten Knochenmark dürfte auch eine regelmäßige Zirkulation von HSZ mit Ausschwemmung aus dem Knochenmark ins periphere Blut und neuerlichem Einnisten in eine Stammzellnische (an anderer Lokalisation) dienen. Diese physiologische Zirkulation von HSZ beruht auf ähnlichen Mechanismen, wie sie therapeutisch für die Gewinnung von Stammzellen aus dem peripheren Blut für die Transplantation artifiziell induziert wird.

Für Überleben, Selbsterneuerung, Expansion, Ruhezustand sowie Ausschwemmung und Einnistung von HSZ ist ein spezielles Mikromilieu erforderlich, das durch lösliche Botenstoffe (Zytokine) in vitro nicht ersetzt werden kann. Während der ontogenetischen Entwicklung wird dieses Milieu zunächst in der AGM (aorto-gonadal-mesonephron) Region und dann in der fetalen Leber gewährleistet, postnatal findet die Hämatopoese fast ausschließlich im Knochenmark statt. Die Stammzellnische setzt sich aus zellulären Komponenten und extrazellulärer Matrix zusammen (Lo Celso und Scadden 2011). Osteoblasten, Endothelzellen, mesenchymale Stromazellen und Makrophagen, Adipozyten, aber auch Osteoklasten, das autonome Nervensystem und regulatorische T-Zellen interagieren in komplexer Weise mit HSZ und regulieren die Homöostase und Zirkulation von Stammzellen in einem immunprivilegierten Umfeld. Die extrazellulären Matrixproteine (ECM) können direkt als Ligand mit Molekülen an der Oberfläche von HSZ interagieren und deren Funktion beeinflussen (z. B. Osteopontin). ECM können auch Chemokine und Wachstumsfaktoren binden (z. B. Glykane) und so einen Gradienten im Mikromilieu bilden, um soluble Faktoren von funktioneller Bedeutung für Wachstum oder Differenzierung von Stammzellen in der Knochenmarknische anzureichern. Es wurden im Knochenmark zwei räumlich getrennte Stammzellnischen definiert. Spezialisierte Osteoblasten an der endostealen Oberfläche von Knochen scheinen unterschiedliche Funktionen und Differenzierungsstufen von HSZ zu unterstützen (endosteale Nische). Während ruhende Stammzellen überwiegend in direktem Kontakt mit Osteoblasten nachgewiesen wurden, finden sich aktivierte HSZ im Kontakt mit sinusoidalen Gefäßzellen (perivaskuläre Nische). Hier erfolgt je nach Bedarf des Organismus entweder die Proliferation und Differenzierung in weiter differenzierte Tochterzellen der Hämatopoese oder eine Rückkehr der HSZ in den Ruhezustand.

In den letzten Jahren wurden zahlreiche molekulare Regulatoren für die oben genannten Funktionen von Stammzellen beschrieben (Blank et al. 2008), die überwiegend, aber nicht ausschließlich von Osteoblasten gebildet werden.

Das Chemokin CXCL12 (Stroma-Derived Factor SDF1) bildet den Liganden für den Chemokinrezeptor CXCR4 an HSZ. Die Achse CXCR4-CXCL12 ist essentiell für die Lokalisation von HSZ in der Stammzellnische. Dementsprechend wird CXCL12 von Osteoblasten, aber auch von perivaskulären Zellen gebildet, sodass dieses Chemokin für die Einnistung von HSZ sowohl in die endosteale als auch in die perivaskuläre Nische verantwortlich ist. Adhäsionsmoleküle unterstützen die Interaktion von HSZ mit dem Mikromilieu durch Bindung an extrazelluläre Matrix oder zelluläre Komponenten der Stammzellnische. Das Integrin α4β1 (VLA4) interagiert mit ECM-Proteinen oder VCAM1 („Vascular Cell Adhesion Molecule“), während die Integrine α1β1 (VLA1) und α5β1 (VLA5) die Bindung an Osteopontin und andere ECM-Proteine vermitteln.

Der Funktionszustand von Stammzellen (Proliferation, Erhaltung, Quieszenz) wird durch Zytokine reguliert, die von Osteoblasten produziert werden und über spezifische Rezeptoren entsprechende Signalwege an HSZ beeinflussen. Die wichtigsten Zytokin-Liganden-Paare sind: Stammzellfaktor (SCF) – c-kit; Thrombopoietin – MPL (Myeloproliferative Leukemia Virus Oncogene); Angiopoietin 1 – TIE2 Tyrosinkinase (TEK). Eine bedeutende Rolle in der Proliferation von HSZ scheint die Gruppe der Angiopoietin-like Proteine (angptl Proteine 1,3,5,7) zu spielen, deren Liganden noch nicht definiert sind. TGF-β und BMP sind Vertreter einer gemeinsamen Familie von Zytokinen, die an Serin-Threonin-Rezeptoren binden und über den SMAD-Signalweg die Quieszenz und Erhaltung von Stammzellen regulieren.

Die intrazellulären Signalwege, über die die Stammzellen molekular reguliert werden, sind noch nicht vollständig aufgeklärt. Ein komplexes Netzwerk der in der Entwicklung hoch konservierten Signalwege von WNT(wingless type), Notch, sHH (sonic Hedgehog) und SMAD scheint in Reaktion auf Regulatoren, die in der Stammzellnische produziert werden, die subtile Balance der diversen Stammzellfunktionen zu gewährleisten.

Hämatopoetische Progenitorzellen müssen neben der Aufrechterhaltung einer konstanten Zahl von differenzierten Blutzellen in der Peripherie auch in der Lage sein, sehr rasch auf Stresssituationen wie Blutungen oder Infektionen mit einer gesteigerten Produktion des erforderlichen reifen Zelltyps zu reagieren. Die Stimulation von Progenitorzellen erfolgt über ein komplexes Netzwerk von löslichen Botenstoffen (Zytokine), die auf Stresssignale sehr rasch synthetisiert werden und über spezifische Rezeptoren an Progenitorzellen und reife Blutzellen binden (Metcalf 2008). Die Serumkonzentration von Zytokinen ist im Steady-state-Modus niedrig und kann nach Stimulation, z. B. durch Endotoxine, auf das bis zu 1000fache gesteigert werden. Eine Überproduktion von Blutzellen wird durch negative Feedback-Mechanismen verhindert.

Einige spezielle Eigenschaften von Zytokinen sind von biologischer und pathophysiologischer Bedeutung:

Myeloproliferative Neoplasien und akute myeloische Leukämien unterliegen einer hierarchischen Struktur, die dem Stammzellkonzept der normalen Hämatopoese vergleichbar ist (Bonnet und Dick 1997). Eine geringe Zahl von leukämischen Stammzellen (LSZ) verfügt über hohes Wachstumspotenzial, Langlebigkeit und die Fähigkeit der Selbsterneuerung. Deren Tochterzellen, die in Transplantationsmodellen selbst kein onkogenes Potenzial mehr besitzen, verdrängen die normale Hämatopoese und prägen das klinische Bild einer chronischen oder akuten Hämoblastose. Das Modell einer leukämischen Stammzelle wurde zunächst bei der chronisch myeloischen Leukämie postuliert und bewiesen, in der die charakteristische onkogene Translokation t(9;22) mit dem Fusionsprotein BCR-ABL auf dem Niveau einer mulitpotenten Stammzelle erfolgt, die klonal in multiple myeloische und lymphatische Zelllinien differenziert und expandiert. Auch bei akuten myeloischen Leukämien und myelodysplastischen Syndromen scheint das initiale transformierende Ereignis auf dem Niveau von frühen hämatopoetischen Stamm- oder Progenitorzellen zu erfolgen. Leukämietypische, onkogene molekulare Aberrationen konnten in den letzten Jahren in angereicherten Stammzellpopulationen von Patienten mit akuter myeloischer Leukämie oder auch myelodysplastischem Syndrom (MDS) nachgewiesen werden. Leukämische Stammzellen scheinen gegenüber der konventionellen Chemotherapie resistent zu sein und sind für die häufigen Rezidive von AML-Patienten verantwortlich. Die Entwicklung von Substanzen mit spezifischer Wirkung gegen LSZ wäre eine essentielle Grundlage für eine zukünftige kurative Leukämietherapie. Auf Grundlage des biologisch gut charakterisierten Systems der leukämischen Stammzellhierarchie wurde in den letzten Jahren das Konzept von Krebsstammzellen auf die meisten soliden Tumorerkrankungen übertragen (Nguyen et al. 2012).