Thema:

Blitzlicht

Stammzelltracking mit Nanobeads

Stammzellen bergen große Chancen für zukünftige Therapien verschiedenster Krankheiten. Die Transplantation von Stammzellen und Zellen des Immunsystems in zellulären Therapieverfahren wird derzeit intensiv erforscht und in klinischen Studien erprobt. Die genaue Positionierung und funktionelle Integration der transferierten Zellen im Zielorgan kann dabei entscheidend für den Therapieerfolg sein. Die Möglichkeiten zur Darstellung von Zellmigration und -integration in Zielgeweben/organen in vivo sind jedoch noch sehr begrenzt. Eine vielversprechende Strategie stellt die Markierung von Stammzellen mit geeigneten Kontrastmitteln für die nicht-invasive Bildgebung mittels Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT) dar. Magnetische Nanopartikel (MNP) zeigen hervorragende Kontrasteigenschaften in der MRT. MNP stehen daher im Fokus der Suche nach optimalen Markierungsstrategien von Stammzellen.

Materialien zeichnen sich im Nanomaßstab durch besondere physikalisch-chemische Eigenschaften aus, aufgrund derer MNP in verschiedensten biomedizinischen Verfahren Anwendung finden können. Dazu zählen unter anderem Hyperthermieverfahren zum Abtöten von Tumorzellen, die magnetische Anreicherung von Stammzellen, Verfahren zur Wirkstofffreisetzung oder zur Wirkstoffaufnahme in Zellen (Magnetofektion) und als Kontrastmittel in der MRT.

Die Vorteile der MRT liegen in der hohen anatomischen Auflösung und hohem Weichteilkontrast. Die MRT ist heute klinisch weitverbreitet und bedeutet für Patienten keine zusätzliche Belastung durch radioaktive Strahlung. Die im Vergleich zu anderen bildgebenden Verfahren geringere Sensitivität kann durch die Verwendung geeigneter Kontrastmittel ausgeglichen werden. In der Möglichkeit der Markierung von Stammzellen mit Kontrastmitteln bei gleichzeitiger Darstellung des umliegenden Gewebes liegt auch der innovative Ansatz für das nicht-invasive Tracking in vivo.

In der MRT kommen paramagnetische (z. B. Gadolinium- oder Mangan-basierte) und superparamagnetische (Eisenoxid-basierte) Kontrastmittel zum Einsatz. Der Hauptunterschied in Bezug auf die bildgebenden Eigenschaften ist die Art des Signals, welches in der MRT sichtbar wird. Die Kernspineigenschaften – vorwiegend von Wasserstoffprotonen – sind durch zwei zeitliche Parameter, T1 und T2, beeinflusst. Diese als Relaxationszeiten benannten Parameter stellen die Grundlage für den Bildkontrast dar, der sich für verschiedene Gewebearten hauptsächlich aus dem unterschiedlichen Wassergehalt ergibt. Paramagnetische Kontrastmittel verkürzen die T1-Relaxationszeit, wodurch ein helles Signal (Weißfärbung) entsteht. Die superparamagnetischen Eisenoxidnanopartikel reduzieren vorwiegend die T2-Relaxationszeit, und dies führt zu einer Signalauslöschung (Schwärzung) in der MRT. Eine spezifische Interaktion von MNP, wie Bindung an oder metabolische Aktivierung durch Zielgewebe oder Zellen, ist daher für die bildgebende Funktion nicht notwendig. Aufgrund der geringen Toxizität eignen sich Eisenoxid-NPs besonders für die Markierung von Stammzellen. 

Suche nach dem idealen Kontrastmittel zur Zellmarkierung und zum Tracking 

Die Markierung von Stammzellen mit MNPs erfolgt in der Regel in der Zellkultur in vitro, bevor diese anschließend in das Zielgewebe/-organ transplantiert werden (Abb. 1A). Je nach Zelltyp, Größe der Zellen, Membraneigenschaften oder Lokalität der Zellen werden verschiedene Methoden zur Markierung von Stammzellen mit MNPs angewendet. 

1. Unspezifische Aufnahme der Partikel mit dem Wachstumsmedium 

2. Spezifische, vermittelte Aufnahme (z. B. durch Antikörper oder virale Komponenten)

3. Mechanische Methoden wie Ultraschall oder Elektroporation.

Um die Spezifität der Markierung und/oder Kontrasteigenschaften in der MRT zu verbessern, können die MNPs weiter funktionalisiert werden. Man kann zwischen biologischer, wie etwa der kovalenten Kopplung von Antikörpern, Peptiden etc., und chemischer Funktionalisierung, wie zum Beispiel durch die Layer-by-Layer-Technologie für Polymere, unterscheiden. Dabei ist die Vermeidung von MNP-Degradation und -Agglomeration besonders wichtig.

Ein ideales Kontrastmittel, welches für verschiedenste Anwendungen genutzt werden kann, zeichnet sich dabei durch geringe Toxizität, hohe Biokompatibilität und hervorragende Kontrasteigenschaften aus (Abb. 1B). Eine stabile Markierung von Zellen würde den sensitiven Nachweis über einen längeren Zeitraum gewährleisten.

Auf dem Weg zu klinischen Studien des Stammzelltrackings mittels MNPs

Die bisher durchgeführten präklinischen und klinischen Studien belegen eindrucksvoll das Konzept („proof-of-principle“) der Stammzellmarkierung und des Tracking in vivo mittels MRT. Wie Tabelle 1 jedoch belegt, ist die Zahl der bisher durchgeführten klinischen Studien zur Therapie mit Stammzellen viel größer als die Zahl der klinischen Studien zum Stammzelltracking mit MNPs. Die Forschung steht hier erst am Anfang, die bisher durchgeführten (präklinischen und klinischen) Studien verweisen jedoch schon auf das große Potential dieser Methode.

In klinischen Therapieansätzen werden vorwiegend Stammzellen verwendet, die nachweislich sicher und auch sinnvoll für die jeweilige Anwendung sind. Das Tracking von MNP-markierten Stammzellen mittels MRT wurde an hämatopoetischen Stammzellen (HSC), neuralen Stammzellen (NSC) und mesenchymalen Stammzellen (MSC) gezeigt. 

In präklinischen Studien wurde eindeutig nachgewiesen, dass bei Herzinsuffizienz die Herzfunktion durch MNP-beladene Stammzellen wieder gesteigert werden kann. In einer präklinischen Studie an Neuronen wurde gezeigt, dass mit MNP-markierten MSC Schlaganfall-geschädigte Regionen im Gehirn identifiziert werden können. Es wurde kein Einfluss auf die Migration oder Differenzierung von MSC und auf das umliegende Gewebe beobachtet. 

Bei der ersten klinischen Studie MNP-markierter Stammzellen wurden MNP-markierte NSC für die Therapie eines Gehirntraumas eingesetzt. Daraus ergaben sich zwei wichtige Erkenntnisse: die geschädigte Hirnregion konnte durch die MRT-Aufnahmen eindeutig identifiziert und die Migration der MNP-markierten Zellen konnte nachgewiesen werden. Weitere klinische Studien untersuchten MNP-markierte MSC an Patienten mit Multipler Sklerose beziehungsweise Amytropher Lateralsklerose und MNP-markierte HSC bei chronischen Rückenmarksverletzungen.

Weder in präklinischen noch in klinischen Studien zeigten sich Beeinträchtigungen oder gravierende Nebenwirkungen durch die MNPs. Es wurden keine negativen Effekte auf die Zellentwicklung, keine reaktiven Sauerstoffspezies und keine apoptotischen Vorgänge beobachtet. Daraus lässt sich der Schluss ziehen, dass die eingesetzten MNP sowohl für kardiovaskuläre als auch für neuronale Stammzelltherapien klinisch sicher anwendbar sind. 

Alle für den klinischen Einsatz zugelassenen MNPs, die auch in den klinischen Studien zum Stammzelltracking in vivo bislang eingesetzt wurden, sind jedoch in der Zwischenzeit vom Markt genommen worden und stehen deshalb für weitere klinische Studien nicht mehr zur Verfügung. Dies stellt einen schweren Rückschritt in der Erforschung von Stammzelltherapien und das Stammzelltracking mittels MRT dar.

Probleme und Perspektiven

Die weitere Funktionalisierung von MNPs zur Verbesserung ihrer Stabilität und zur Erhöhung von Spezifität, Kontrasteigenschaften in der MRT und Biokompatibilität ist ein Fokus der gegenwärtigen Forschung. Darüber hinaus gilt es, die Verdünnung des Kontrastmittels durch Zellteilung zu verhindern oder zu kompensieren. Auch können mit bisherigen Markierungsstrategien lebende und tote Zellen in vivo nicht voneinander unterschieden werden. Makrophagen die apoptotische Zellen samt MNP aufnehmen verschleppen diese weiter, wodurch keine eindeutige Zuordnung am Zielorgan/-gewebe gewährleistet ist. 

Die Möglichkeiten zur Markierung unterschiedlichster Zelltypen mit MNPs zum Tracking in vivo mittels MRT sind gut belegt. Stammzelltherapien in Kombination mit MNP-Markierung und dem nicht-invasiven diagnostischen Nachweis stellen somit eine neue Hoffnung zur zielgerichteten Behandlung von Krankheiten in schwer zugänglichen Körperregionen dar. Die Suche nach einem idealen MNP-Kontrastmittel, welches auch für klinische Studien und in der klinischen Therapie genutzt werden kann, und nach optimalen Markierungsstrategien für Stammzellen ist daher weiter in vollem Gange.

Literatur

[1] www.clinicaltrials.gov
[2] Schwarz S., Wong J. E., Bornemann J., Hodenius M., Himmelreich U., Richtering W., Hoehn M., Zenke M., and Hieronymus T. (2012) Nanomedicine 8:682-691.
[3] Schwarz S., Fernandes F., Sanroman L., Hodenius M., Lang C., Himmelreich U., Schmitz-Rode T., Schueler D., Hoehn, M., Zenke, M., Hieronymus, T. (2009) J. Magn. Magn. Mater. 321:1533-1538
[4] Cromer Berman S. M., Walczak P., and Bulte J. W. M. (2011) Wiley Interdiscip. Rev. Nanomed. Nanobiotechnol. 3: 343-355.
[5] Bernsen M. R., Moelker A. D., Wielopolski P. A., van Tiel S. T., and Krestin G. P. (2010) Eur Radiol. 20:255-74.

Korrespondenzadresse

B.Sc. Sebastian Diebold
Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Martin Zenke
Dr. rer. nat. Thomas Hieronymus
Institut für Biomedizinsche Technologien – Zellbiologie
Medizinische Fakultät der RWTH Aachen
Pauwelsstr. 30, 52074 Aachen

Mehr zum Spezial

© 2007-2017 BIOCOM

http://www.laborwelt.de/spezialthemen/stammzellen/stammzelltracking.html

Alle Themen

SpezialThemen

Produkt der Woche

Alle Produkte

Kalender

Alle Events

Partner-Events

Istanbul (TR)

expomed eurasia

Stuttgart

Medtec Europe