DGIM Innere Medizin
Autoren
Christian Peschel

Stammzellkonzept der Hämatopoese und deren Regulation

Um eine stabilen Zahl von Blutzellen im homöostatischen Gleichgewicht zu erhalten, ist eine robuste und dauerhafte Proliferation von >1011 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.

Einführung

Um eine stabilen Zahl von Blutzellen im homöostatischen Gleichgewicht zu erhalten, ist eine robuste und dauerhafte Proliferation von >1011 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.

Hämatopoetische Stammzelle

Nachweismethoden

Da ein Nachweis und eine Quantifizierung von HSZ und Progenitorzellen aufgrund morphologischer Kriterien nicht möglich sind, beruhte deren Charakterisierung lange Zeit ausschließlich auf funktionellen Methoden. Progenitorzellen bilden unter Stimulation mit geeigneten Wachstumsfaktoren (G-CSF, EPO, IL-3 etc.) Kolonien von reifen Blutzellen in semisoliden Medien und werden deshalb als kolonienbildende Einheiten (CFU) bezeichnet. In Langzeitkulturen im direkten Kontakt mit Stromazellen können HSZ über mehrere Wochen in vitro propagiert werden (Long-Term Culture Initiating Cells – LTCIC), was als funktioneller Test der Selbsterneuerungsfähigkeit angesehen wird. Als validester Stammzell-Test in vivo gilt die Rekonstitution der Hämatopoese nach Transplantation in eine supraletal bestrahlte Maus. Durch Xenotransplantation in schwer immundefizienten Mausstämmen (NSG Mäuse) gelingt es, mit humanen HSZ eine langfristige Hämatopoese im Tiermodell zu etablieren. Seit kurzem ist auch eine Charakterisierung von humanen HSZ und Progenitorzellen aufgrund von multiplen Oberflächenmarkern in der Durchflusszytometrie möglich (Majeti et al. 2007). Diese beruht bei Stammzellen auf dem Fehlen von linienspezifischen Markern und dem Nachweis von stammzelltypischen Molekülen und vice versa bei Progenitorzellen auf dem Nachweis von Linienmarkern und Verlust der Stammzellmarker (Tab. 1).
Tab. 1
Immunologische Charakterisierung von hämatopoetischen Vorläuferzellen
Zelltyp
Antigenexpression
Hämatopoetische Stammzellen
CD34+ CD38- CD45RA- CD90+
Multipotente Progenitorzellen
CD34+ CD38- CD45RA- CD90-
Gemeinsame myeloide Progenitorzellen
CD34+ CD38+ CD45RA+ CD123+
Granulozytär-monozytäre Progenitorzellen
CD34+ CD38+ CD45RA+ CD123+
Megakaryozytär-erythrozytäre Progenitorzellen
CD34+ CD38+ CD45RA- CD123-

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:
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Leukämische Stammzellen

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).
Literatur
Aggarwal R, Lu J, Pompili VJ, Das H (2012) Hematopoietic stem cells: transcriptional regulation, ex vivo expansion and clinical application. Curr Mol Med 12:34–49CrossRefPubMedCentralPubMed
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Bonnet D, Dick JE (1997) Human acute myeloid leukemia is organized as a hierarchy that originates from a primitive hematopoietic cell. Nat Med 3:730–737CrossRefPubMed
Catlin SN, Busque L, Gale RE, Guttorp P, Abkowitz JL (2011) The replication rate of human hematopoietic stem cells in vivo. Blood 117:4460–4466CrossRefPubMedCentralPubMed
Lo Celso C, Scadden DT (2011) The haematopoietic stem cell niche at a glance. J Cell Sci 124:3529–3535CrossRefPubMedCentralPubMed
Majeti R, Park CY, Weissman IL (2007) Identification of a hierarchy of multipotent hematopoietic progenitors in human cord blood. Cell Stem Cell 1:635–645CrossRefPubMedCentralPubMed
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