Stammzelle  

Stamm- und Vorläuferzellen

Stamm- und Vorläuferzellen sind unspezialisierte oder wenig spezialisierte Zellpopulationen[2], die ein hohes Differenzierungspotential besitzen. Unter Differenzierung wird der Vorgang verstanden, durch den Zellen eine für ihre Funktion spezifische Ausgestaltung erfahren.

Gemeinsame und charakteristische Fähigkeiten aller Stammzellen sind ihre selbsterneuernde Vermehrungsfähigkeit und ihr Differenzierungspotential in Zelltypen mit unterschiedlichen Funktionen und Eigenschaften[15].  Auf dem Weg von einer Stamm- zu einer differenzierten Zelle, wird das Stadium der Vorläufer- bzw. Progenitorzelle durchlaufen [4]. Die Fähigkeit der Differenzierung ist abhängig von der Potenz der Stamm- und Vorläuferzellen, hinsichtlich welcher sie weiter unterscheiden und klassifiziert werden können. Mit der Potenz wird das Vermögen beschrieben, mit sich die Zelle differenzieren kann. Eine Stammzelle, die die Fähigkeit besitzt, in alle Gewebsarten und Organe des menschlichen Körpers auszureifen, bezeichnet man als totipotent [5].

Im adulten System wird unterschieden zwischen hämatopoetischen (HSC) und nicht-hämatopoetischen Stammzellen, welche als mesenchymale (MSC) Stammzellen bezeichnet werden. Hämatopoetische Stammzellen können in voll funktionsfähige Zelltypen des Blutsystems differenzieren[15]. Dies können alle hämato-lymphoiden Zelltypen wie bspw. T-Zellen, Eosinophile, Basophile, Makrophagen oder Erythrozyten sein. Mesenchymale Stammzellen können sich in Zellen des Gewebesystems, wie bspw. Chrondoblasten, Adipozyten oder Myozyten weiterentwickeln. Im Gefäßsystem sind v.a. die endothelialen Vorläuferzellen (EPC) zu finden.

Um die Stamm- und Vorläuferzellen zu unterscheiden, werden stammzellassoziierte Oberflächenmoleküle betrachtet, die sogenannten CD-Antigene, die Signale von stimulierenden bzw. inhibitorischen Faktoren über intrazelluläre Signalwege weiterleiten, um so bspw. die Expression von Genen zu steuern. Wenn verschiedene CD-Antigene auf einer Zelle vorliegen, spricht man von Koexpression[5]. Die FACS-Methodik (engl. fluorescence activated cell sorting) bedient sich dieser Markierung, um Aussagen über die Zellzahlen in einer Probe treffen zu können.

Hämatopoetische Stamm- und Vorläuferzellen

HSCs sind adulte, multipotente Stammzellen der Blutbildung. Darüber hinaus kann den HPCs auch ein unerwarteter Grad an Differenzierbarkeit in Richtung Knochen, Leber, Muskel und Endothel zugeschrieben werden[16].

Die HSCs sind die am besten erforschten Stammzellen und gehören zu den wenigen Stammzellen, die im adulten Organismus isoliert werden können [15]. Die gute wissenschaftliche Erforschung der HSCs hängt unter anderem damit zusammen, dass Erkrankungen wie Leukämie mit einer gestörten Hämatopoese und somit den dafür zuständigen Stammzellen in Verbindung gebracht werden.

Ihre Teilung erfolgt asymmetrisch d.h., dass sie eine Stammzelle und eine HPC ausbildet. Aus der Vorläuferzelle können sich die verschiedenen Blutzellen entwickeln.

Endotheliale Stamm- und Vorläuferzellen

Es wurde viele Jahre angenommen, dass die Angiogenese der einzige Mechanismus ist, der im adulten System für die Gefäßneubildung und –regeneration zuständig ist. Laut aktuellen Forschungsstandes, wird diese Fähigkeit auch den EPCs zugesprochen, die in reife Endothelzellen differenzieren können. Somit können EPCs, deren Hauptquelle das Knochenmark ist, zum postnatalen Gefäßsystemwachstum und zur Reparatur des beschädigten Endothels beitragen[14]. Dieser Vorgang wird auch als postnatale Vaskulogenese bezeichnet.

Die Bedeutung der EPCs für die vaskuläre Regeneration wird an der engen Korrelation zwischen kardiovaskulären Ereignissen, wie bspw. einem Herzinfarkt und der erhöhten Anzahl an EPCs deutlich. EPCs werden demnach mobilisiert, um das geschädigte Endothel auszugleichen. Eine dysfunktionale und reduzierte EPC-Mobilisierung kann bei chronischen Rauchern, Diabetes Mellitus und Hypercholesterinämie nachgewiesen werden. Die genannten Krankheiten und Faktoren erhöhen das Risiko für kardiovaskuläre Ereignisse und Erkrankungen [2].

Mobilisation von Stammzellen durch Sport

Als Hauptquelle für adulte Stamm- und Vorläuferzellen gilt das Knochenmark, indem sie in so genannten Nischen, gebunden an Adhäsionsmoleküle, residieren. Es existieren zahlreiche Faktoren, die die Mobilisation von Stamm- und Vorläuferzellen provozieren und einleiten. Prinzipiell wird zwischen endogenen und exogenen Faktoren unterschieden. Als wichtigster exogener Faktor gilt die körperliche Belastung.

Die Versorgung der Muskulatur mit z.B. Glucose und Sauerstoff während Ausdauerbelastungen wird durch eine gute Kapillarisierung gewährleistet. In zahlreichen Studien konnte belegt werden, dass die EPCs neben den Prozessen der Angiogenese für die Sprossung des bereits bestehenden Gefäßsystems oder dessen Regeneration verantwortlich sind [11][12]. Ischämische Zustände signalisieren ein Mangel der Sauerstoffversorgung und triggern die Freisetzung von Wachstumsfaktoren wie VEGF und EPO, die die Zahl an zirkulierenden EPCs im Blut erhöhen [14]. Durch eine Studie von Adams et al. konnte gezeigt werden, dass die EPC-Mobilisation nach einem einzigen ischämischem Stimulus ihr Maximum nach 24 bis 48 Stunden post-exercise erreicht [1]. Darüber hinaus kann auch eine chronische Ausdauerbelastung im Rahmen eines vierwöchigen Trainings andauernde EPC-Erhöhungen bewirken [8]. Die Studien geben Hinweise darauf, dass der EPC-Anstieg in zwei Phasen verläuft: Einer sehr schnellen, kurzfristigen Erhöhung im Blut innerhalb von Minuten folgt eine zweite nach 24 bis 48 Stunden. Ähnliche Auswirkungen hat Ausdauertraining auf die HPC-Freisetzung. Bei täglichen trainingsinduzierten Stimuli werden Veränderungen im Hormon- und Mediator-Haushalt für eine langanhaltende Erhöhung der HPCs im peripheren Blut verantwortlich gemacht[3].

Bei intensiven Kraftbelastungen enstehen muskuläre Mikrotraumen, die in direktem Zusammenhang zur Mobilisation von sogenannten Satellitenzellen steht. Sie sind beim Krafttraining für die Adaptationsprozesse im Sinne der Hypertrophie und der Reparatur verantwortlich [9]. Zeitgleich werden Entzündungsreaktionen vermutet die ihrerseits Signalkaskaden für VEGF und weitere Wachstumsfaktoren anstoßen, die mit einer Elevation der EPCs bzw. HPCs einhergehen.

Körperliche Belastung gilt als einer der induzierenden Faktoren für die Mobilisation von Stamm- und Vorläuferzellen ins Blut [6]. Verschiedene Studien konnten bisweilen belegen, dass eine einzige maximale Trainingsepisode endotheliale Vorläuferzellen mobilisiert[13] und eine akute supramaximale Belastung zur Freisetzung von hämatopoetischen Vorläuferzellen führt [10]. Desweiteren kann auch regelmäßiges Training zu einer andauernden Erhöhung der endothelialen Vorläuferzellen im Blut führen [7].

Einzelnachweise

  1. Adams, V.; Lenk, K.; Linke, A.; Lenz, D.; Erbs, S.; Sandri, M. et al. (2004): Increase of Circulating Endothelial Progenitor Cells in Patients with Coronary Artery Disease After Exercise-Induced Ischemia. In: Arteriosclerosis, Thrombosis, and Vascular Biology 24 (4), S. 684–690.→ http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/14988094
  2. Bloch, W.; Brixius, K. (2006): Sport und Stammzellen. In: Deutsche Zeitschrift für Sportmedizin 57 (3), S. 68–71.→ http://www.zeitschrift-sportmedizin.de/fileadmin/content/archiv2006/heft03/68-72.pdf
  3. Bonsignore, M. R.; Morici, G.; Santoro, A.; Pagano, M.; Cascio, L.; Bonanno, A. et al. (2002): Circulating hematopoietic progenitor cells in runners. In: Journal of Applied Physiology (93), S. 1691–1697.→ http://jap.physiology.org/content/93/5/1691
  4. Dohmen, D. (2005): Die Gewinnung, Verarbeitung und Anwendung neonataler Stammzellen. Rechtsgrundlagen und -maßstäbe. Münster: Lit Verlag.
  5. Haas, R.; Kronenwett, R. (2005): Fragen und Antworten zur hämatopoetischen Stammzelle. Grundlagen, Indikationen, therapeutischer Nutzen. Köln: Deutscher Ärzte Verlag.
  6. Krüger, K.; Pilat, C.; Schild, M.; Lindner, N.; Frech, T.; Muders, K.; Mooren, F. (2014): Progenitor cell mobilization after exercise is related to systemic levels of G-CSF and muscle damage. In: Scand J Med Sci Sports.→ http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25264280
  7. Laufs, U.; Urhausen, A.; Werner, N.; Scharhag, J.; Heitz, A.; Kissner, G. et al. (2005): Running exercise of different duration and intensity: effect on endothelial progenitor cells in healthy subjects. In: European Journal of cardiovascular prevention and rehabilitation (12), S. 407–414.→ http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16079651
  8. Laufs, U.; Werner, N.; Link, A.; Endres, M.; Wassmann, S.; Jürgens, K. et al. (2004): Physical Training Increases Endothelial Progenitor Cells, Inhibits Neointima Formation, and Enhances Angiogenesis. In: Circulation 109 (2), S. 220–226.→ http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/14691039
  9. Lui, Y.; Gampert, L.; Prokopchuk, O.; Steinacker, J. M. (2007): Satellitenzellaktivierung beim Krafttraining. In: Deutsche Zeitschrift für Sportmedizin 58 (1).→ http://www.zeitschrift-sportmedizin.de/fileadmin/content/archiv2007/heft01/6-11.pdf
  10. Morici, G.; Zangla, D.; Santoro, A.; Pelosi, E.; Petrucci, E.; Gioia, M. et al. (2005): Supramaximal exercise mobilizes hematopoetic progenitors and reticulocytes in athletes. In: American Journal of physiology, regulatory, integrative und comparative physiology 289, S. 1496–1503.→ http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16020520
  11. Rehman, J.; Li, J.; Parvathaneni, L.; Karlsson, G.; Panchal, V. R.; Temm, C. J. et al. (2004): Exercise acutely increases circulating endothelial progenitor cells and monocyte-/macrophage-derived angiogenic cells. In: Journal of the American College of Cardiology 43 (12), S. 2314–2318.→ http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15193699
  12. Steiner, S.; Niessner, A.; Ziegler, S.; Richter, B.; Seidinger, D.; Pleiner, J. et al. (2005): Endurance training increases the number of endothelial progenitor cells in patients with cardiovascular risk and coronary artery disease. In: Artherosclerosis 181 (2), S. 305–310.→ http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16039284
  13. Van Craenenbroeck, E.; Vrints, Ch.; Haine, St.; Vermeulen, K.; Goovaerts, I.; Van Tendeloo, V. et al. (2008): A maximal exercise bout increases the number of circulating CD34+/KDR+ endothelial progenitor cells in healthy subjects. In: Journal of Applied Physiology 104, S. 1006–1013.→ http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18218912
  14. Wahl, P.; Bloch, W.; Schmidt, A. (2007): Exercise has a positive effect on endothelial progenitor cells, which could be necessary for vascular adaptation processes. In: International Journal of Sports Medicine 28 (5), S. 374–380, zuletzt geprüft am 22.06.2011.→ http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17111312
  15. Wormer, E. (2004): Mehr Wissen über Stammzellen. Unter Mitarbeit von W. Kaufmann, D. Ganten und G. Kempermann. Köln: Lingen Verlag.
  16. Zander, A. R.; Stute, N. (2002): Stammzellforschung - Diesseits des Rubikon. In: Deutsches Ärzteblatt 99 (6), S. 341–343.→ http://www.aerzteblatt.de/pdf/99/6/a341.pdf