Offenbar war Allen Spradling der Öffentlichkeit ein paar Nasenspitzen voraus, und das schon seit mindestens zehn Jahren. Schon damals konnten zwar viele Forscher, aber nur wenige Laien erklären, was eigentlich eine "embryonale" Stammzelle so wertvoll macht. Und nicht einmal viele Experten hatten Antworten auf all die Fragen, die "adulte" Stammzellen aufwarfen – warum, zum Beispiel, bleibt dieser Typ Stammzelle auch bei Erwachsenen unbegrenzt teilungsfähig, wieso kann er sich ständig selbst neu erfinden und erhalten? Im Prinzip herrschte noch Ratlosigkeit, als Spradlings Labor 1993 erstmals Stammzellen unter die Lupe nahm – und das ausgerechnet bei Taufliegen.

"Die meisten anderen Forscher dachten damals noch, Insekten hätten gar keine Stammzellen. Und wenn, dann welche, die sich sehr von denen des Menschen unterscheiden", erzählt Spradling, heute am Howard Hughes Medical Institute in Baltimore. Tatsächlich passierte dann aber im Jahr 2000, was oft geschieht – die Lösung eines Rätsels aus einer völlig unerwarteten Richtung, die dann einen Erdrutsch neuer Forschungsansätze nach sich zieht. Ausgerechnet an der Taufliege entdeckten Wissenschaftler die so genannte Stammzell-Nische: die charakteristische, aus helfenden Nachbarzellen gebildete Heimat adulter Stammzellen.

Das passende Versuchstier zum Problem

"Wenn wir von der Stammzell-Nische sprechen, meinen wir damit eine typische Mikro-Umwelt, welche die die Aktivität von Stammzellen stabilisiert und reguliert", erklärt Spradling. Eine solche Umwelt ist seitdem oft und bei den verschiedensten Organismen nachgewiesen worden: Von Wurm bis Mensch steht sie im Brennpunkt, wenn es darum geht, wie adulte Stammzellen die schwierige Balance halten zwischen Selbsterneuerung und der steten Produktion junger, frischer Zellen für das Gewebe.

"Mit Stammzell-Nische meinen wir jene typische Mikro-Umwelt, die Stammzellen stabilisiert und reguliert"
(Allen Spradling)
Die Idee, dass dabei die Umgebung der Zellen mitspielen könnte, hatten Forscher schon Ende der 1970er Jahre veröffentlicht – ohne aber konkrete Beweise für Nischen oder ähnliches entdecken zu können. Man nahm daher meist vereinfachend an, dass die Grundlage dieser Balance ein simpler Generationenvertrag ist: Wenn die Zahl der Stammzellen immer gleich bleiben soll, muss es bei der Zellteilung schön geregelt ablaufen. Nach der Teilung darf sich nur eine der beiden entstehenden Tochterzellen zur spezialisierten Gewebezelle differenzieren. Die andere muss dagegen brav den Stammzell-Job der Mutterzelle übernehmen.

So weit, so einfach. Und so schwer ex vivo nachzuvollziehen: Hält man nämlich Stammzellen in Kultur und regt sie zur Teilung an, schlagen meist beide Tochterzellen den Weg der Differenzierung ein, und mit der wunderbaren Selbsterneuerung ist es schon nach der ersten Teilungsrunde vorbei. Eigentlich war also klar, dass es kein inneres Programm der Stammzelle selbst sein kann, das alleine vorherbestimmt, welche der Tochterzellen welches Entwicklungsschicksal ereilt. Trotzdem unterschätzten viele Forscher den Anteil, den Interaktionen mit anderen Zellen bei der Regulierung der Stammzellen spielen – bis zu den Versuchen von Spradling und denen einiger anderer Forscher: "Wir zeigten erstmals, dass Stammzellen in ihrem Gewebe nicht wie kleine, autonome Maschinen arbeiten, sondern abhängig sind von den Signalen anderer Zellen."

"Stammzellen arbeiten nicht wie kleine, autonome Maschinen, sondern sind abhängig von anderen Zellen"
(Allen Spradling)
Dabei kam ihnen in den 1990er Jahren ein glücklicher Umstand zugute: Die Stammzellen der Taufliege ließen sich besser untersuchen als Säuger-Stammzellen, an denen damals die meisten anderen Biologen gearbeitet hatten. So waren sie zum Beispiel relativ einfach im Gewebe zu identifizieren. Die in der Stammzellbiologie als Forschungsobjekt beliebten blutbildenden Stammzellen aus Maus und Mensch konnte man dagegen zu der Zeit zwar aus dem Knochenmark gewinnen und in Zellkultur halten. Über ihre Lage und Umgebung im Ursprungsgewebe aber wusste man nichts, weil es keine Methoden gab, sie im Mikroskop von anderen Zellen zu unterscheiden. Die Entdeckung der Stammzell-Nische erklärt Spradling folgerichtig pragmatisch: "Es ging nicht um einen technologischen Durchbruch, sondern einfach darum, das passende Versuchstier für das richtige Problem zu finden".

Wer polstert die Nische?

Bei Taufliegen, bewiesen Spradling und sein Team, sorgen die Signale bestimmter Nachbarzellen – der so genannten Cap-Zellen – für jene spezielle Umgebung, in der die Keimbahn-Stammzellen des Weibchens sich auf die richtige Art und Weise teilen und differenzieren. Dabei ist das Signal, das Cap-Zellen senden, denkbar simpel. Es lautet: Werde Stammzelle und bleib es!
"Die meisten dachten damals noch, Insekten hätten gar keine Stammzellen"
(Allen Spradling)
Stört man diese intimen molekularen Interaktionen, passiert im Körper der Fliege dasselbe wie bei vielen gescheiterten Versuchen in der Kulturschale: Bei der Teilung entstehen nur differenzierte Zellen. Denn ohne das Cap-Zell-Signal fühlt sich nach einer Teilung keine der Tochterzellen mehr zur Stammzelle berufen.

Die Macht der Cap-Zellen geht so weit, dass sie sogar beide Tochterzellen zu Stammzellen machen können. Diese schicksalsbestimmende Wirkung entfaltet sich aber nur in direkter Nähe zu den Cap-Zellen. Damit beide Tochterzellen nach der Teilung so nah bei ihnen zu liegen kommen, muss noch Platz frei sein in der Nische. Das ist in der Praxis meist nicht der Fall, außer eine andere Stammzelle ist vorher abgestorben oder durch versehentliches Differenzieren verloren gegangen. Dieses eigentlich seltene Ereignis nachzuweisen, war aber wichtig um zu zeigen, dass wirklich beide Tochterzellen das gleiche Potenzial haben, sich sowohl zur Stammzelle wie auch zur differenzierten Zelle zu entwickeln.

Für das Gleichgewicht zwischen Selbsterneuerung und Zell-Nachschub sorgt also zum einen die große Flexibilität der Stammzell-Teilung, zum anderen die rigide Kontrolle dieser Flexibilität durch die Stammzell-Nische. Weil der Raum neben den Cap-Zellen begrenzt ist, bleibt auch die Zahl der Stammzellen immer gleich.

Gute Nachbarschaft

Dieses Prinzip der Stammzell-Regulation hat sich seither in vielen Geweben und Organismen bestätigt. Auch für die schwierig zu untersuchenden Säuger-Stammzellen fanden sich inzwischen Wege, das Konzept zu überprüfen. Nicht nur die blutbildenden Stammzellen im Knochenmark, auch die des Dünndarm-Epithels, der Haar-Follikel und von Nervenzellen residieren jeweils in ihrer speziellen Nische. Ja, für die blutbildenden Stammzellen entdeckte man kürzlich sogar schon die zweite Nische. Sie wird von den Zellen der kleinen Blutgefäße gebildet, die im Knochenmark verlaufen.

Wo auch immer man also hinschaut, überall entdeckt man die Stammzelle als soziales Wesen, das eine Heimat braucht, um richtig zu funktionieren. Die Forschung an diesem Thema ist in den letzten Jahren förmlich explodiert. Nicht nur die Grundlagenforschung ist dadurch ein gutes Stück weiter gekommen, auch für die Therapie von Krankheiten könnte sich die Erkenntnis als nützlich erweisen.

Ein Beispiel: Leukämie. Durch die Transplantation von Knochenmark ist der Blutkrebs zwar heute schon oft heilbar. Die Medizin ist aber für jeden Krankheitsfall wieder neu auf Knochenmarksspender angewiesen. Findet man keinen passenden, stehen die Chancen des Patienten schlecht. Mit dem Wissen um die Hintergründe der Stammzell-Regulation im Körper lassen sich die benötigten Stammzellen aber vielleicht irgendwann direkt aus der Zellkultur zu gewinnen. Wie lang der Weg vom Nachweis des Prinzips bis zur erfolgreichen Nachbildung einer Stammzell-Nische in der Kulturschale ist, weiß allerdings niemand.