Embryonale Stammzellen und Zelldifferenzierung
In einer Klinik in Düsseldorf sagt eine Ärztin zu einem Patienten mit geschädigtem Herzmuskel: „Vielleicht können wir in Zukunft Ihr Gewebe mit Stammzellen reparieren." Doch woher kommen diese Zellen, was können sie, und warum streitet die Gesellschaft darüber? Am Ende der Seite kannst du diese Fragen beantworten.
Zelldifferenzierung: ein Genom, viele Zelltypen
Dein Körper besteht aus über 200 verschiedenen Zelltypen, z. B. Nervenzellen, Muskelzellen, roten Blutzellen und Hautzellen. Alle gehen aus einer einzigen befruchteten Eizelle (Zygote) hervor, durch Mitose. Fast alle Körperzellen besitzen daher dasselbe Genom.
Wie kommen die Unterschiede zustande? Je nach Zelltyp sind verschiedene Gene aktiv. Eine Muskelzelle nutzt andere Gene als eine Nervenzelle und bildet deshalb andere Proteine. Welche Gene aktiv sind, steuern Signalmoleküle: Ein Signalmolekül bindet an ein Rezeptorprotein der Zelle, eine Signalkette leitet das Signal weiter, und als Zellantwort werden bestimmte Gene an- oder abgeschaltet (Prinzip der Signaltransduktion). Diese Entwicklung zu einer spezialisierten Zelle heißt Zelldifferenzierung. Gleichartig differenzierte Zellen bilden ein Gewebe. Das ermöglicht Arbeitsteilung im Vielzeller: Jeder Zelltyp erfüllt eine Aufgabe besonders gut.
Erklären Sie, warum Zellen eines Vielzellers, die dasselbe Genom besitzen, unterschiedliche Funktionen übernehmen (Zelldifferenzierung), und nennen Sie zwei Beispiele…
Erklären Sie, warum Zellen eines Vielzellers, die dasselbe Genom besitzen, unterschiedliche Funktionen übernehmen (Zelldifferenzierung), und nennen Sie zwei Beispiele für spezialisierte Zelltypen.
Stammzellen und ihre Potenz
Stammzellen sind noch nicht (voll) differenzierte Zellen. Sie können sich teilen und zu spezialisierten Zellen entwickeln. Wie viele Zelltypen sie bilden können, nennt man Potenz.
| Potenz | Kann bilden | Beispiel |
|---|---|---|
| totipotent | einen ganzen Organismus samt Plazenta | Zygote, Zellen der frühen Furchungsstadien (wenige Zellteilungen nach der Befruchtung) |
| pluripotent | alle Zelltypen des Körpers, aber keinen ganzen Organismus | embryonale Stammzellen aus der Blastozyste |
| multipotent | mehrere, eng verwandte Zelltypen | blutbildende Stammzellen im Knochenmark |
Nach der Herkunft unterscheidet man:
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Embryonale Stammzellen (ES-Zellen): Sie stammen aus dem Embryoblasten (innere Zellmasse) einer Blastozyste, etwa vier bis fünf Tage nach der Befruchtung. Sie sind pluripotent. Bei der Gewinnung wird der Embryo zerstört.
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Adulte Stammzellen: Sie liegen in ausgebildeten Geweben, z. B. im Knochenmark, in der Haut oder im Darm. Sie sind multipotent und ersetzen verbrauchte Zellen. Ihre Gewinnung ist ethisch weniger umstritten, aber sie sind schwerer zu vermehren und in ihrer Potenz begrenzt.
Erklären Sie die Begriffe totipotent, pluripotent und multipotent und nennen Sie jeweils ein Beispiel für entsprechende Zellen.
Erklären Sie die Begriffe totipotent, pluripotent und multipotent und nennen Sie jeweils ein Beispiel für entsprechende Zellen.
Erläutern Sie, wie sich embryonale Stammzellen von adulten Stammzellen unterscheiden, und nennen Sie je einen Ort, an dem sie gewonnen werden.
Erläutern Sie, wie sich embryonale Stammzellen von adulten Stammzellen unterscheiden, und nennen Sie je einen Ort, an dem sie gewonnen werden.
Anwendungen, iPS-Zellen und Risiken
Stammzellen weckten große medizinische Hoffnungen: Zellersatz nach Herzinfarkt, bei Diabetes oder Nervenschäden, außerdem Modelle für Krankheiten und Medikamententests. Im Prinzip werden Stammzellen im Labor vermehrt und durch geeignete Signale zu dem gewünschten Zelltyp differenziert, z. B. zu Herzmuskelzellen, die man ins geschädigte Gewebe bringt.
Induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen) entstehen, indem man differenzierte Körperzellen, z. B. Hautzellen, durch gezielte Aktivierung bestimmter Gene umprogrammiert. Sie verhalten sich dann ähnlich wie embryonale Stammzellen (Shinya Yamanaka, Nobelpreis 2012). Vorteile:
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Es wird kein Embryo zerstört, der ethische Konflikt wird entschärft.
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Die Zellen stammen vom Patienten selbst, daher ist das Risiko einer Abstoßung geringer.
Verbleibende Herausforderungen: Die Umprogrammierung ist aufwendig und nicht immer vollständig, die Sicherheit ist noch nicht ausreichend geklärt.
Risiken von Stammzelltherapien:
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Tumorbildung: Pluripotente Zellen teilen sich sehr stark. Bleiben undifferenzierte Zellen im Präparat, können sie unkontrolliert wachsen und Tumoren (Teratome) bilden.
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Abstoßung: Zellen eines fremden Spenders tragen andere Oberflächenmerkmale (Glykokalyx-Proteine, MHC). Das Immunsystem erkennt sie als fremd und greift sie an. Dagegen helfen Immunsuppressiva, die aber Infektionen begünstigen.
Induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen) entstehen durch Umprogrammierung von Körperzellen, z. B. Hautzellen. a) Erklären Sie das Grundprinzip der Gewinnung. b)…
Induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen) entstehen durch Umprogrammierung von Körperzellen, z. B. Hautzellen.
- a) Erklären Sie das Grundprinzip der Gewinnung.
- b) Erläutern Sie, welchen ethischen Konflikt iPS-Zellen entschärfen können.
- c) Nennen Sie eine verbleibende Herausforderung.
Eine Patientin aus Heidelberg hat eine schwere Herzmuskelschädigung. Ihre Ärztin erklärt, dass Therapien mit Stammzellen erforscht werden. a) Beschreiben Sie, wie…
Eine Patientin aus Heidelberg hat eine schwere Herzmuskelschädigung. Ihre Ärztin erklärt, dass Therapien mit Stammzellen erforscht werden.
- a) Beschreiben Sie, wie Stammzellen Herzmuskelgewebe ersetzen könnten.
- b) Erläutern Sie das Risiko der Tumorbildung.
- c) Erklären Sie, warum körperfremde Zellen eine Abstoßungsreaktion auslösen können.
Ethisch bewerten und Recht in Deutschland
Naturwissenschaft liefert Fakten, sie sagt aber nicht, was erlaubt sein soll. Dazu braucht man Bewertung. Ein bewährter Ablauf (Bewertungsschritte):
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Sachverhalt klären: Worum geht es, welche Fakten gibt es?
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Handlungsoptionen nennen (z. B. Forschung verbieten, erlauben, eingeschränkt erlauben).
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Werte und Interessen der Beteiligten benennen.
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Argumente sammeln und ordnen, mit Folgen für jede Option.
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Abwägen und eine begründete Entscheidung treffen. Auch Gegenpositionen werden fair dargestellt.
Typische Argumente zur Forschung mit embryonalen Stammzellen:
| Pro | Contra |
|---|---|
| Chancen, schwere Krankheiten zu heilen (Hilfe für Kranke) | Der Embryo wird zerstört, Embryonen sind schützenswert |
| Überzählige Embryonen aus der künstlichen Befruchtung würden sonst ohnehin verworfen | Gefahr, dass menschliches Leben zum Mittel für Zwecke wird („Instrumentalisierung") |
| Alternativen (iPS, adulte Zellen) sind noch nicht gleichwertig | Es gibt Alternativen ohne Embryonenverbrauch |
Argumente lassen sich ethischen Positionen zuordnen:
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Nutzenethik (utilitaristisch): Eine Handlung ist gut, wenn sie insgesamt den größten Nutzen für die meisten bringt. Beispiel: Heilungschancen für viele Kranke.
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Pflichtethik (deontologisch): Manche Handlungen sind unabhängig von Folgen verboten. Beispiel: Menschen dürfen nie nur als Mittel zum Zweck benutzt werden.
Zum Status des Embryos gibt es verschiedene Positionen:
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Speziesargument/Kontinuitätsargument: Mit der Verschmelzung von Ei- und Samenzelle beginnt ein Mensch, daher hat er von Anfang an volle Menschenwürde (Art. 1 GG).
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Graduelles Schutzkonzept: Der Schutz wächst mit der Entwicklung, z. B. mit Einnistung oder Nervensystem. Ein Embryo in der Blastozyste wäre weniger geschützt als ein Fötus.
Rechtslage in Deutschland:
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Embryonenschutzgesetz (1990): verbietet u. a., Embryonen zu Forschungszwecken herzustellen oder zu verwenden.
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Stammzellgesetz (2002, geändert 2008): Import und Nutzung embryonaler Stammzelllinien sind nur unter strengen Auflagen erlaubt. Es gilt eine Stichtagsregelung: Nur Zelllinien, die vor dem Stichtag gewonnen wurden, dürfen importiert werden. Der ursprüngliche Stichtag (1. Januar 2002) wurde 2008 auf den 1. Mai 2007 verschoben. Zweck: Deutschland soll keinen Anreiz schaffen, dass im Ausland neue Embryonen für die Forschung zerstört werden. Ein Kompromiss zwischen Forschungsfreiheit (Art. 5 GG) und Embryonenschutz. Die Forschung muss hochrangig sein und genehmigt werden.
Beratende Stimmen sind u. a. der Deutsche Ethikrat und die Leopoldina.
In Deutschland regelt das Stammzellgesetz den Import embryonaler Stammzellen und das Embryonenschutzgesetz verbietet die Herstellung von Embryonen zu Forschungszwecken.…
In Deutschland regelt das Stammzellgesetz den Import embryonaler Stammzellen und das Embryonenschutzgesetz verbietet die Herstellung von Embryonen zu Forschungszwecken.
- a) Nennen Sie zwei Argumente, die für die Forschung mit embryonalen Stammzellen sprechen.
- b) Nennen Sie zwei Argumente, die dagegen sprechen.
- c) Ordnen Sie jedes Argument einer ethischen Position zu (z. B. Nutzenethik, Pflichtethik).
Eine Gruppe diskutiert: „Ein menschlicher Embryo im Blastozystenstadium hat bereits volle Menschenwürde." a) Stellen Sie die Position der Befürworter dieser Aussage mit…
Eine Gruppe diskutiert: „Ein menschlicher Embryo im Blastozystenstadium hat bereits volle Menschenwürde."
- a) Stellen Sie die Position der Befürworter dieser Aussage mit Begründung dar.
- b) Stellen Sie eine gegensätzliche Position dar (z. B. graduelles Schutzkonzept).
- c) Bewerten Sie die Positionen und kommen Sie zu einer begründeten eigenen Entscheidung.
Der Bundestag soll die Stichtagsregelung des Stammzellgesetzes ändern (nur vor einem bestimmten Datum – derzeit dem 1. Mai 2007 – gewonnene humane embryonale…
Der Bundestag soll die Stichtagsregelung des Stammzellgesetzes ändern (nur vor einem bestimmten Datum – derzeit dem 1. Mai 2007 – gewonnene humane embryonale Stammzelllinien dürfen importiert werden).
- a) Erläutern Sie den Zweck der Stichtagsregelung.
- b) Diskutieren Sie Vor- und Nachteile einer Verschiebung des Stichtags für Wissenschaft und Ethik.
- c) Formulieren Sie eine begründete Empfehlung und benennen Sie die Werte, die Sie abwägen.
Nabelschnurblut: Quelle adulter Stammzellen
Nabelschnurblut enthält blutbildende (hämatopoetische) Stammzellen. Sie sind multipotent: Sie bilden Blutzellen, aber keine Herzmuskel- oder Nervenzellen. Bei Leukämien kann Nabelschnurblut Knochenmarkspenden ersetzen. Die Entnahme nach der Geburt gefährdet Mutter und Kind nicht, und es werden keine Embryonen verwendet.
Private Firmen werben damit, das Blut für spätere Therapien einzulagern (Kosten über viele Jahre). Kritisch zu prüfen:
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Medizinisch: Die Menge ist begrenzt, und für eigene Leukämien sind eigene Zellen oft ungeeignet, weil sie die Veranlagung schon enthalten. Es gibt bisher kaum anerkannte Therapien mit eigenem Blut.
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Ethisch: Es wird mit Ängsten und Hoffnungen von Eltern geworben, die Spende für andere (öffentliche Blutbanken) ist solidarischer.
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Wirtschaftlich: Hohe Kosten bei unsicherem Nutzen.
Im Vergleich zu embryonalen Stammzellen: Nabelschnurblut-Stammzellen sind ethisch unproblematisch, aber in der Potenz begrenzt (multipotent). Embryonale Stammzellen sind pluripotent und damit vielseitiger, aber ethisch umstritten und mit Tumorrisiko verbunden.
Ein Unternehmen wirbt mit der Einlagerung von Nabelschnurblut für spätere Therapien. a) Erklären Sie, welche Art von Stammzellen enthalten ist und wo die Grenzen ihrer…
Ein Unternehmen wirbt mit der Einlagerung von Nabelschnurblut für spätere Therapien.
- a) Erklären Sie, welche Art von Stammzellen enthalten ist und wo die Grenzen ihrer Potenz liegen.
- b) Beurteilen Sie kritisch die Werbeaussage unter medizinischen, ethischen und wirtschaftlichen Aspekten.
- c) Vergleichen Sie diese Quelle mit embryonalen Stammzellen hinsichtlich Nutzen und ethischer Problematik.
Zurück zum Anfang: Die Ärztin meint Therapien mit Stammzellen, die zu Herzmuskelzellen differenziert werden. Verwendbar wären pluripotente Zellen (ES- oder iPS-Zellen). Dabei müssen Nutzen, Risiken (Tumor, Abstoßung) und ethische Fragen abgewogen werden.