Reproduktionsbiologie: Eizellen-Nachschub aus alten Knochen
Was Biologen seit einem halben Jahrhundert über die Geburt weiblicher Eizellen wissen, glaubten sie nur zu wissen. Zumindest provoziert so ein Renegat unter den Reproduktionsmedizinern: Seine Ergebnisse belegen nicht zum ersten Mal umwälzend Neues über vermeintliche Wahrheiten aus dem Reich der Keim- und Stammzellen.
© Joshua Johnson et al. / Nature (Ausschnitt)
Revolution, die; Bezeichnung für raum-zeitlich abgrenzbare, tief greifende Veränderungen und Umgestaltungen der Wirtschaft (industrielle R.), der Kunst und Kultur (Kulturr.), der gesellschaftlichen Struktur und politischen Organisation (Aufstand) oder der Wissenschaft (Paradigmenwechsel). Nach letzterem strebt eindeutig Jonathan Tilly: Seit der Forscher vom Massachusetts General Hospital im Vormärz des Jahres 2004 seine umwälzenden Thesen zur Veröffentlichung einreichte, gilt der Forscher als Revolutionär der Stammzellbiologen. Oder als anmaßender Leichtfuß und PR-Stratege, je nachdem. Jedenfalls verursachten seine Erkenntnisse erheblichen Aufstand. Was war geschehen?
Tilly hatte ein zentrales Dogma der Biologie frontal angegriffen: Die Zahl weiblicher Keimzellen, so lehrten es seit Jahrzehnten schon junge Tutoren noch jüngeren Erstsemestern, ist bei Säugetieren strikt begrenzt. Ob Mausweibchen oder Menschenfrau, beide müssen mit einer begrenzten Anzahl an Eizellen auskommen – ganz im Gegensatz zu ihren männlichen Pendants, die während ihres ganzen Lebens reife Spermien aus teilungsfähig bleibenden Keimzellen-Vorläufern produzieren. Im weiblichen Embryo aber differenzieren sich, so die althergebrachte Vorstellung, alle Urkeimzellen sehr früh, beginnen mit den ersten Schritten ihrer Reifeteilung und halbieren ihren Chromosomensatz.
In diesem nicht umkehrbaren Status – als so genannte primäre Oozyten oder Oozyten I – erstarrt dann die gesamte Keimzellenarmada noch vor der Geburt und wartet bis zur Pubertät auf den Einsatz. Erst dann reifen sie nach und nach einzeln monatlich zu befruchtungsfähigen Eizellen heran. Mit einem Eizellen-Vorläufer-Vorrat von etwa 40 000 Stück muss eine Homo-sapiens-Frau ab der Pubertät dann haushalten. Und nur bis zu 500 erreichen dann auch tatsächlich die höchste Endstufe der Befruchtungsfähigkeit. Das, so dozieren dogmatisch die Fortpflanzungsbiologen, gilt für alle Säugetiere.
Bis zur Tilly'schen Revolution des vergangenen Jahres: Seine Arbeitsgruppe publizierte mit gleich drei verschiedenen Ansätzen bestätigte Experimente an Mäusen, bei denen die Tiere offensichtlich auch postpubertär ihren eigentlich begrenzten Vorrat an Eizellen-Kandidaten wieder aufstocken konnten [1]. Dafür verantwortlich schienen entgegen aller Lehrmeinung weiter teilungsfähige Stammzellen am Rand der Ovarien zu sein.
"Wenn dieser Befund von anderen bestätigt werden kann", meinte kommentierend Frank Bellino vom National Institute of Aging, "dann scheinen Tilly und seine Kollegen das Buch der Reproduktionsbiologie neu geschrieben zu haben, zumindest für Mäuse." Die Betonung liegt hier auf "Wenn" – bis dato sind die vermeintlich wasserdichten Beweise von Tilly für die Unhaltbarkeit des Dogmas jedenfalls nicht unabhängig bestätigt, wohl aber unabhängig kritisiert worden. Die Akzeptanz ihrer Arbeit, so auch Tillys Mitstreiter Joshua Johnson, wachse "eher langsam". Zeit für die Revolutionäre, jetzt selbst noch einmal die Ergebnisse kritisch zu hinterfragen – um ihre ursprüngliche Meinung nun prompt kräftig mit Argumenten nachzufüttern [2].
Ansatzpunkt für die Zweifel des reproduktionsbiologischen Establishments war vor allem die ungeklärte Frage, woher im erwachsenen Eierstock plötzlich teilungsfähige Keimbahn-Stammzellen auftauchen – könnten solche Zellen tatsächlich seit 50 Jahren der Forschung übersehen worden sein? Diesen kritischen Punkt glauben Tilly und Kollegen nun ausgeräumt zu haben.
Wie in ihren ersten Versuchen sterilisierten sie auch diesmal einige Versuchsmäuse, indem sie ihren gesamten Oozyten-Vorrat mit einer Dosis des Giftstoffes Doxorubicin synchron ausschalteten. Das gelang auch stets – etwa zwei Tage lang. Danach begannen die Eierstöcke selbstständig, neue Vorräte an Oozyten und den benötigten Follikel-Versorgungszellen zu produzieren. Aber aus was? Wo verstecken sich die für das Comeback verantwortlichen Keimbahn-Stammzellen?
Nicht jedenfalls in den Eierstöcken selbst, glauben die Wissenschaftler. Dies schließen sie aus ihrer Spurensuche nach einem verräterischen Marker: Die Vorläufer späterer Eizellen sind erkennbar an der Produktion eines Zuckermoleküls, das später als Antigen auf ihrer Außenhülle zu finden ist, dem SSEA1 (stage specific embryonic antigen-1). In den Eierstöcken – auch denen sterilisierter Tiere – findet sich dies zwar, allerdings nur in sehr in wenigen Zellen, die als alleinige Vorläufer der massenhaft und schnell neu gebildeten Eizellen wohl nicht in Frage kommen.
Fündig wurden die Forscher dagegen an gänzlich anderer Stelle. Zunächst betrieben Tilly und Co dazu ein wenig Stammzellen-Althistorie: Ganz am Anfang jedes Lebens entstehen die Urahnen aller späteren Keimzellen im Mausembryo in einer Region, die Spezialisten als proximalen Epiblasten kennen. Genau von dort stammt aber auch noch ein weiterer Stammzelltypus, der auch in erwachsenen Tieren noch unbegrenzt teilungsfähig ist: die hämatopoetische Stammzelle. Dieser Zelltyp nistet sich in erwachsenen Tieren im Knochenmark ein und kann sich zu allen unterschiedlichen Blutzellen wie Erythrozyten, Thrombozyten oder den verschiedenen Formen der Leukozyten differenzieren. Und vielleicht zu noch ganz anderen Zellen?
Die Forscher warfen zwei weitere Versuchstierstämme ins Rennen. Aus einem, in dem alle Zellen mit leicht wiederfindbaren Fluoreszenzmarkern versehen sind, isolierten sie dann adulte hämatopoetische Stammzellen des Rückenmarks, und übertrugen diese in den zweiten Mausstamm, der auf Grund einer Mutation lebenslang überhaupt keine Oozyten bilden kann. Dann wollten sie sich die Eierstöcke der Tiere genau anschauen – mussten dies aber gar nicht so detailliert tun. Denn schon auf den ersten Blick leuchteten frische Keimzell-Vorläufer in den Ovarien, die aus den Knochenmarkzellen des Spenderstamms stammten. Auch elf Monate nach der Transplantation produzierten eingenistete, ehemals "blutbildende" Stammzellen Oozyten in ehemals sterilen Mäusen.
Nun wurden die Wissenschaftler etwas übermütig. Wenn das mit den blutbildenden Zellen des Knochenmarks klappt – reicht dann vielleicht gar eine Blutspende einer nicht sterilen Maus aus, um zerstörte Keimzellen in den Ovarien steriler Mäuse nachzubilden? Immerhin zirkulieren ja Knochenmark-Stammzellen auch im Blutkreislauf, wenn auch in recht niedriger Konzentration. Gedacht, getan – mit ebenso spektakulärem Erfolg: Nach entsprechenden Bluttransfusions-Experimenten konnten aus dem Spender stammende Zellen in den Ovarien der Empfänger nachgewiesen werden, die dort auch tatsächlich mit der Produktion der zuvor fehlenden Eizellen begonnen hatten.
Das sollte nun doch eigentlich als Beweis genügen, meinen Tilly und seine Mitstreiter – und glauben, das alte Dogma des begrenzten Eizellen-Produktionsmaterials nun endgültig gekippt zu haben. Höchstens noch nötig sei, letzte Zweifel auszuräumen, dass sich die neu aus Knochenmark-Stammzellen gebildeten Keimzellvorläufer auch tatsächlich in echte Eizellen entwickeln, die befruchtet werden können und zu neuem Leben heranwachsen.
Das wäre auch wichtig, um irgendwann einmal mehr als wissenschaftlichen Profit aus der Erkenntnis schlagen zu können. Ziel der Forscher könnte schließlich sein, in noch ferner Zukunft einmal neue Wege des Eizellen-Nachschubs für unfruchtbaren Frauen zu bahnen. Bleibt nur noch das, was für das jüngste Tilly-Papier ebenso wie für das letztjährige immer noch gilt – die unabhängige Bestätigung der Ergebnisse durch eine externe, unbeteiligte Gruppe, die an die Ideen der Revolution zunächst einmal gar nicht glaubt.
Tilly hatte ein zentrales Dogma der Biologie frontal angegriffen: Die Zahl weiblicher Keimzellen, so lehrten es seit Jahrzehnten schon junge Tutoren noch jüngeren Erstsemestern, ist bei Säugetieren strikt begrenzt. Ob Mausweibchen oder Menschenfrau, beide müssen mit einer begrenzten Anzahl an Eizellen auskommen – ganz im Gegensatz zu ihren männlichen Pendants, die während ihres ganzen Lebens reife Spermien aus teilungsfähig bleibenden Keimzellen-Vorläufern produzieren. Im weiblichen Embryo aber differenzieren sich, so die althergebrachte Vorstellung, alle Urkeimzellen sehr früh, beginnen mit den ersten Schritten ihrer Reifeteilung und halbieren ihren Chromosomensatz.
In diesem nicht umkehrbaren Status – als so genannte primäre Oozyten oder Oozyten I – erstarrt dann die gesamte Keimzellenarmada noch vor der Geburt und wartet bis zur Pubertät auf den Einsatz. Erst dann reifen sie nach und nach einzeln monatlich zu befruchtungsfähigen Eizellen heran. Mit einem Eizellen-Vorläufer-Vorrat von etwa 40 000 Stück muss eine Homo-sapiens-Frau ab der Pubertät dann haushalten. Und nur bis zu 500 erreichen dann auch tatsächlich die höchste Endstufe der Befruchtungsfähigkeit. Das, so dozieren dogmatisch die Fortpflanzungsbiologen, gilt für alle Säugetiere.
Bis zur Tilly'schen Revolution des vergangenen Jahres: Seine Arbeitsgruppe publizierte mit gleich drei verschiedenen Ansätzen bestätigte Experimente an Mäusen, bei denen die Tiere offensichtlich auch postpubertär ihren eigentlich begrenzten Vorrat an Eizellen-Kandidaten wieder aufstocken konnten [1]. Dafür verantwortlich schienen entgegen aller Lehrmeinung weiter teilungsfähige Stammzellen am Rand der Ovarien zu sein.
"Wenn dieser Befund von anderen bestätigt werden kann", meinte kommentierend Frank Bellino vom National Institute of Aging, "dann scheinen Tilly und seine Kollegen das Buch der Reproduktionsbiologie neu geschrieben zu haben, zumindest für Mäuse." Die Betonung liegt hier auf "Wenn" – bis dato sind die vermeintlich wasserdichten Beweise von Tilly für die Unhaltbarkeit des Dogmas jedenfalls nicht unabhängig bestätigt, wohl aber unabhängig kritisiert worden. Die Akzeptanz ihrer Arbeit, so auch Tillys Mitstreiter Joshua Johnson, wachse "eher langsam". Zeit für die Revolutionäre, jetzt selbst noch einmal die Ergebnisse kritisch zu hinterfragen – um ihre ursprüngliche Meinung nun prompt kräftig mit Argumenten nachzufüttern [2].
Ansatzpunkt für die Zweifel des reproduktionsbiologischen Establishments war vor allem die ungeklärte Frage, woher im erwachsenen Eierstock plötzlich teilungsfähige Keimbahn-Stammzellen auftauchen – könnten solche Zellen tatsächlich seit 50 Jahren der Forschung übersehen worden sein? Diesen kritischen Punkt glauben Tilly und Kollegen nun ausgeräumt zu haben.
Wie in ihren ersten Versuchen sterilisierten sie auch diesmal einige Versuchsmäuse, indem sie ihren gesamten Oozyten-Vorrat mit einer Dosis des Giftstoffes Doxorubicin synchron ausschalteten. Das gelang auch stets – etwa zwei Tage lang. Danach begannen die Eierstöcke selbstständig, neue Vorräte an Oozyten und den benötigten Follikel-Versorgungszellen zu produzieren. Aber aus was? Wo verstecken sich die für das Comeback verantwortlichen Keimbahn-Stammzellen?
Nicht jedenfalls in den Eierstöcken selbst, glauben die Wissenschaftler. Dies schließen sie aus ihrer Spurensuche nach einem verräterischen Marker: Die Vorläufer späterer Eizellen sind erkennbar an der Produktion eines Zuckermoleküls, das später als Antigen auf ihrer Außenhülle zu finden ist, dem SSEA1 (stage specific embryonic antigen-1). In den Eierstöcken – auch denen sterilisierter Tiere – findet sich dies zwar, allerdings nur in sehr in wenigen Zellen, die als alleinige Vorläufer der massenhaft und schnell neu gebildeten Eizellen wohl nicht in Frage kommen.
Fündig wurden die Forscher dagegen an gänzlich anderer Stelle. Zunächst betrieben Tilly und Co dazu ein wenig Stammzellen-Althistorie: Ganz am Anfang jedes Lebens entstehen die Urahnen aller späteren Keimzellen im Mausembryo in einer Region, die Spezialisten als proximalen Epiblasten kennen. Genau von dort stammt aber auch noch ein weiterer Stammzelltypus, der auch in erwachsenen Tieren noch unbegrenzt teilungsfähig ist: die hämatopoetische Stammzelle. Dieser Zelltyp nistet sich in erwachsenen Tieren im Knochenmark ein und kann sich zu allen unterschiedlichen Blutzellen wie Erythrozyten, Thrombozyten oder den verschiedenen Formen der Leukozyten differenzieren. Und vielleicht zu noch ganz anderen Zellen?
Die Forscher warfen zwei weitere Versuchstierstämme ins Rennen. Aus einem, in dem alle Zellen mit leicht wiederfindbaren Fluoreszenzmarkern versehen sind, isolierten sie dann adulte hämatopoetische Stammzellen des Rückenmarks, und übertrugen diese in den zweiten Mausstamm, der auf Grund einer Mutation lebenslang überhaupt keine Oozyten bilden kann. Dann wollten sie sich die Eierstöcke der Tiere genau anschauen – mussten dies aber gar nicht so detailliert tun. Denn schon auf den ersten Blick leuchteten frische Keimzell-Vorläufer in den Ovarien, die aus den Knochenmarkzellen des Spenderstamms stammten. Auch elf Monate nach der Transplantation produzierten eingenistete, ehemals "blutbildende" Stammzellen Oozyten in ehemals sterilen Mäusen.
Nun wurden die Wissenschaftler etwas übermütig. Wenn das mit den blutbildenden Zellen des Knochenmarks klappt – reicht dann vielleicht gar eine Blutspende einer nicht sterilen Maus aus, um zerstörte Keimzellen in den Ovarien steriler Mäuse nachzubilden? Immerhin zirkulieren ja Knochenmark-Stammzellen auch im Blutkreislauf, wenn auch in recht niedriger Konzentration. Gedacht, getan – mit ebenso spektakulärem Erfolg: Nach entsprechenden Bluttransfusions-Experimenten konnten aus dem Spender stammende Zellen in den Ovarien der Empfänger nachgewiesen werden, die dort auch tatsächlich mit der Produktion der zuvor fehlenden Eizellen begonnen hatten.
Das sollte nun doch eigentlich als Beweis genügen, meinen Tilly und seine Mitstreiter – und glauben, das alte Dogma des begrenzten Eizellen-Produktionsmaterials nun endgültig gekippt zu haben. Höchstens noch nötig sei, letzte Zweifel auszuräumen, dass sich die neu aus Knochenmark-Stammzellen gebildeten Keimzellvorläufer auch tatsächlich in echte Eizellen entwickeln, die befruchtet werden können und zu neuem Leben heranwachsen.
Das wäre auch wichtig, um irgendwann einmal mehr als wissenschaftlichen Profit aus der Erkenntnis schlagen zu können. Ziel der Forscher könnte schließlich sein, in noch ferner Zukunft einmal neue Wege des Eizellen-Nachschubs für unfruchtbaren Frauen zu bahnen. Bleibt nur noch das, was für das jüngste Tilly-Papier ebenso wie für das letztjährige immer noch gilt – die unabhängige Bestätigung der Ergebnisse durch eine externe, unbeteiligte Gruppe, die an die Ideen der Revolution zunächst einmal gar nicht glaubt.
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