Wissenschaftlern ist es gelungen, Stammzellen in Vorläuferzellen für Spermien umzuprogrammieren

Wissenschaftler versuchen seit langem, Spermien und Eizellen im Labor zu erzeugen. Dies würde ihnen nicht nur ermöglichen, einen der grundlegendsten biologischen Prozesse besser zu verstehen, sondern möglicherweise auch neue Wege zu entwickeln, unfruchtbaren Paaren zu helfen. Mithilfe embryonaler Stammzellen, die sich theoretisch in jeden Zelltyp verwandeln können, haben mehrere Forschungsgruppen in den letzten Jahren einige Fortschritte erzielt, doch die Herstellung lebensfähiger Geschlechtszellen ist bisher nicht gelungen.

Wissenschaftler der Universität Kyoto haben kürzlich eine Methode gefunden, embryonale Stammzellen von Mäusen in Spermienvorläuferzellen umzuprogrammieren und mithilfe der daraus gewonnenen Spermien gesunde Mäuse zu züchten. Ihre Forschung könnte zu neuen Behandlungsmethoden für männliche Unfruchtbarkeit führen. Laut dem Leiter des Teams, dem Biologen Mitinori Saitou, müssten hierfür jedoch mehrere „sehr schwierige“ technische und ethische Fragen gelöst werden.

Bekanntlich entwickeln sich Spermien und Eizellen aus primären oder primordialen Keimzellen (PGCs). Primordiale Keimzellen entstehen in den frühen Stadien der Embryogenese aus einer Zellmasse, dem Epiblasten. Vor einigen Jahren gelang es Wissenschaftlern, Epiblastenzellen aus einem Mausembryo zu entnehmen und in Epiblastenstammzellen umzuwandeln, die im Labor langfristig regenerierbar sind. Die Forscher hofften, aus solchen Zellen primordiale Keimzellen und schließlich Spermien und Eizellen gewinnen zu können. Doch trotz jahrelanger Experimente ist dies bisher nicht gelungen. Japanische Wissenschaftler kamen zu dem Schluss, dass im Labor gewonnene Epiblastenstammzellen, wenn sie die Fähigkeit zum langfristigen Wachstum erlangen, die Fähigkeit zur Keimzellbildung verlieren.

Sie änderten daher ihren Ansatz und beschlossen, embryonale Stammzellen von Mäusen in einem Cocktail aus Wachstumsfaktoren zu kultivieren, um Zellen zu erhalten, die den nur wenige Tage lebenden Epiblastenzellen ähnelten. Die Forscher fanden heraus, dass sich aus zwei Tage alten Zellen Zellen gewinnen ließen, die primordialen Keimzellen ähnelten. Injektionen in die Hoden von Mäusen, die keine eigenen Spermien produzieren konnten, führten dazu, dass diese zu Spermien heranreiften, die in Vitro-Experimenten erfolgreich Eizellen befruchteten. Die Wissenschaftler pflanzten die entstandenen Embryonen Leihmüttern ein, die normalen Nachwuchs zeugten. Die auf diese ungewöhnliche Weise geborenen Mäuse wuchsen zu fruchtbaren Weibchen und Männchen heran und brachten später auch gesunden Nachwuchs hervor. Auf ähnliche Weise kann aus induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs), die aus adulten Hautzellen differenziert wurden, fruchtbarer Nachwuchs gewonnen werden.

„Ich kann nur sagen: Wow! Das ist ein Durchbruch!“, sagte Orly Lacham-Kaplan, Reproduktionsbiologin an der Monash University in Australien.

Die Arbeit liefere den Beweis, „dass sich aus embryonalen Stammzellen gewonnene Urkeimzellen zu funktionsfähigen Keimzellen entwickeln können“, sagt Amander Clark, ein Biologe an der University of California in Los Angeles, der die Arbeit der japanischen Forscher als „einen entscheidenden Durchbruch in unserem Verständnis der Entwicklung von Keimzellen“ bezeichnet.

Es gebe noch viele Hürden zu überwinden, sagt Saito. Sie möchten lernen, den gesamten Prozess der Produktion reifer Spermien direkt im Labor durchzuführen, anstatt primordiale Geschlechtszellen zur Reifung in die Hoden zu injizieren. Ein weiteres Ziel ist die Produktion von Eizellen im Reagenzglas, nicht nur um den Prozess selbst zu verstehen, sondern auch, um unfruchtbaren Frauen helfen zu können. Um ihre Ergebnisse in die Klinik übertragen zu können, müssen sie zunächst prüfen, ob das von ihnen entwickelte „Rezept“, das sich bei Mausstammzellen als so erfolgreich erwiesen hat, auch bei menschlichen Zellen funktioniert.

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