Einführung
Um eine stabilen Zahl von Blutzellen im homöostatischen Gleichgewicht zu erhalten, ist eine robuste und dauerhafte Proliferation von >10
11 Erythrozyten, Granulozyten und
Thrombozyten pro Tag erforderlich. Zusätzlich muss das blutbildende Organ in Stresssituationen wie Infektionen oder Blutungen rasch mit der Produktion des jeweils erforderlichen Zelltyps reagieren. Die Regulation der Hämatopoese wird durch ein komplexes System von somatischen Stammzellen, die durch zelluläre und humorale Faktoren in ihrer Funktion streng kontrolliert sind, gewährleistet. Erkenntnisse aus der Regulation der sehr gut erforschten
hämatopoetischen Stammzellen dienen als Modell für somatische Stammzellen anderer Organsysteme und für das Konzept von Tumorstammzellen.
Hämatopoetisches Stammzellsystem
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:-
Langlebigkeit und hohe Proliferationskapazität
-
die Fähigkeit der pluripotenten Differenzierung in alle hämatopoetischen/lymphatischen Zellreihen
-
die Fähigkeit der Selbsterneuerung, d. h. der Replikation auf dem Niveau der Stammzelle ohne Differenzierung
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.
Biologie von hämatopoetischen Stammzellen
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.
Hämatopoetische Stammzellnische
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.
Molekulare Regulatoren von Stammzellen
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.
Regulation von Progenitorzellen
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:
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Produktion: Zytokinen können parakrin in der Nähe ihrer Zielzellen von unterschiedlichen Geweben und Zelltypen wie Endothelzellen,
Makrophagen,
T-Lymphozyten, Stromazellen, gebildet werden (z. B.
GM-CSF,
G-CSF, IL-3, IL-5, IL-6). Im Gegensatz dazu wird Erythropoietin ausschließlich in der Niere oder Thrombopoietin in der Leber produziert. Diese Wachstumsfaktoren gelangen auf humoralem Weg an ihre Zielzellen im
Knochenmark. Manche Zytokine liegen neben der solublen auch in membrangebundener Form vor und werden nach proteolytischer Spaltung lokal präsentiert.
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Multipotenz: Zytokine können in ihrer Wirkung weitgehend auf eine bestimmte Zelllinie beschränkt bleiben (z. B. EPO). Viele Faktoren aber können biologische Funktionen in unterschiedlichen Zelltypen der Hämatopoese wie Granulozyten, Makrophagen, Eosinophile, Mastzellen,
Dendritische Zellen oder
Megakaryozyten vermitteln (z. B. IL-3, GM-CSF, IL-6, IL-11, SCF, FLT3-Ligand).
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Redundanz: Viele Zytokine sind in ihrer Wirkung auf ihre Zielzellen überlappend, sodass eine verminderte Produktion eines einzelnen Botenstoffs geringe funktionelle Auswirkungen hat (myelomonozytäre Zellen). Im Gegensatz dazu wird die Erythropoese ausschließlich von EPO gesteuert mit entsprechenden pathologischen Auswirkungen bei Nierenschädigungen.
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Sequenzielle Wirkung: Das Wirkungsspektrum mancher Zytokine erstreckt sich auf mehrere Differenzierungsstufen der Hämatopoese von der Stammzelle/multipotenten Progenitorzelle bis zu differenzierten Tochterzellen (z. B. FLT3-Ligand, TPO, SCF). Andere Zytokine wie EPO sind auf eine Zelllinie restringiert und stimulieren beispielsweise die Erythropoese nur ab dem Niveau von reiferen Progenitorzellen.
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Multiple Funktionen: Durch Zytokine werden über einen rezeptorvermittelten Signalweg multiple biologische Funktionen wie Proliferation, Differenzierung, Schutz vor
Apoptose, funktionelle Stimulation, Sekretion von Botenstoffen etc. vermittelt. Deshalb sind hämatopoetische Wachstumsfaktoren nicht nur für das Wachstum von Stamm- und Progenitorzellen, sondern auch für die Aktivierung von reifen Blutzellen, z. B. in der Infektabwehr durch Granulozyten und
Monozyten, von Bedeutung.
