An dem von der Europäischen Union geförderten Projekt CellPROM arbeiten 27 europäische Teams mit, die vom Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT in Sankt Ingbert koordiniert werden. Wenn man den Projektnamen übersetzen würde, sagt Günter Fuhr, Leiter des Instituts und CellPROMs Chefkoordinator,
"... heißt das "Zellprogrammierung", daher kommt dieser Name, und wir wissen heute etwa, dass bei der Embryogenese die Zellen aus einem undifferenzierten Status in alle Zellen, aus denen später unser Körper besteht - das sind 220 verschiedene Zelltypen - differenziert werden. Also Muskelzellen, Nervenzellen, Fettzellen – alle diese Zellen entstehen dabei."
Die zunächst undifferenzierten Zellen sind natürlich Stammzellen. CellPROM arbeitet nicht mit embryonalen Stammzellen, sondern nur mit adulten, von Erwachsenen stammenden, deren Verwendung unumstritten ist. Man kann tatsächlich mit einem "Rückdifferenzierung" genannten Prozess solche Zellen in einen Zustand versetzen, in dem sie fast so universell entwicklungsfähig sind wie embryonale Stammzellen. Aber wie erfährt eine solche Zelle, die noch alles werden kann, was sie werden soll? Lange Zeit habe man die Antwort nur im genetischen Code gesucht, das aber sei nur die halbe Wahrheit, sagt Günter Fuhr. Der Werdegang einer Zelle werde vielmehr von ihrer unmittelbaren Umgebung vorherbestimmt, die sich die Zelle mit Millionen verschiedener Makromolekülnoppen auf ihrer Oberfläche gleichsam ertasten kann.
"Die Zelle hat also Millionen von solchen Empfängern an der Oberfläche und sie empfängt diese Signale und damit wird dann zum Beispiel auch die Genexpression angeschoben - das sind so komplexe Vorgänge, die im Einzelnen untersucht werden, dass wir sie während der Differenzierung zum Beispiel gar nicht kontrollieren können."
Die Geschichte mit der Zellprägung durch Signale an ihrer Oberfläche ist Stand der Erkenntnis. Neu ist: CellPROM will mit nanotechnologischen Methoden nanoskopische Noppenteppiche herstellen – die Noppen sind Makromoleküle, die mit den Makromolekülen der Zelle wechselwirken – die die besonderen Muster enthalten, die einer Zelle signalisieren, was sie zu werden hat: Nieren- oder Leberzelle, Haut- oder Fettzelle, was in einem Körper eben so verlangt wird. Wie genau die Muster aussehen sollen, ist Gegenstand der Forschung. CellPROM untersucht hierzu unter anderem die Struktur von Zellhäuten.
"Diese Makromoleküle, die müssen eng beieinander liegen. Wenn Sie eine Zelloberfläche anschauen, dann haben Sie ungefähr alle drei, vier Nanometer ein neues Makromolekül, auch etwa von dieser Größenordnung. Das macht man sich nicht so deutlich, und in dieser Skalierung Oberflächen zu komponieren, auch dort müssen wir erst Techniken entwickeln."
Immerhin, es gibt da schon einiges, das NanoINK-Prinzip etwa, das die geordnete Verteilung winziger Substanzmengen mit einem Rastersondenmikroskop gestattet, oder nanoskopische Stempeltechniken - das Ziel ist also nicht utopisch. Und wenn, wie vorgesehen, dereinst Automaten Stammzellen in Massen in Zellen, Zellverbände der Wahl verwandeln, könnten künstliche, aber aus eigenem Körpermaterial hergestellte Organe, die vom Immunsystem unbehelligt bleiben, Wirklichkeit werden.
"Das ist ja der Wunsch, der später dahinter steht, dass man gerne Gewebe erzeugen will. Bei der Haut kann man das schon sehr gut, es wird immer so vollmundig versprochen, dass man eine Niere erzeugen könnte, der Weg ist noch weit, aber prinzipiell ist das natürlich möglich."
In vier Jahren Projektlaufzeit schon soll die massenhafte Zellprogrammierung durch nanostrukturierte Zellunterlagen möglich sein. Wenn es klappt, ist in Europa Wissenschaftsgeschichte geschrieben worden. Wenn nicht, sind zumindest einige wichtige Wissenslücken geschlossen worden.
"... heißt das "Zellprogrammierung", daher kommt dieser Name, und wir wissen heute etwa, dass bei der Embryogenese die Zellen aus einem undifferenzierten Status in alle Zellen, aus denen später unser Körper besteht - das sind 220 verschiedene Zelltypen - differenziert werden. Also Muskelzellen, Nervenzellen, Fettzellen – alle diese Zellen entstehen dabei."
Die zunächst undifferenzierten Zellen sind natürlich Stammzellen. CellPROM arbeitet nicht mit embryonalen Stammzellen, sondern nur mit adulten, von Erwachsenen stammenden, deren Verwendung unumstritten ist. Man kann tatsächlich mit einem "Rückdifferenzierung" genannten Prozess solche Zellen in einen Zustand versetzen, in dem sie fast so universell entwicklungsfähig sind wie embryonale Stammzellen. Aber wie erfährt eine solche Zelle, die noch alles werden kann, was sie werden soll? Lange Zeit habe man die Antwort nur im genetischen Code gesucht, das aber sei nur die halbe Wahrheit, sagt Günter Fuhr. Der Werdegang einer Zelle werde vielmehr von ihrer unmittelbaren Umgebung vorherbestimmt, die sich die Zelle mit Millionen verschiedener Makromolekülnoppen auf ihrer Oberfläche gleichsam ertasten kann.
"Die Zelle hat also Millionen von solchen Empfängern an der Oberfläche und sie empfängt diese Signale und damit wird dann zum Beispiel auch die Genexpression angeschoben - das sind so komplexe Vorgänge, die im Einzelnen untersucht werden, dass wir sie während der Differenzierung zum Beispiel gar nicht kontrollieren können."
Die Geschichte mit der Zellprägung durch Signale an ihrer Oberfläche ist Stand der Erkenntnis. Neu ist: CellPROM will mit nanotechnologischen Methoden nanoskopische Noppenteppiche herstellen – die Noppen sind Makromoleküle, die mit den Makromolekülen der Zelle wechselwirken – die die besonderen Muster enthalten, die einer Zelle signalisieren, was sie zu werden hat: Nieren- oder Leberzelle, Haut- oder Fettzelle, was in einem Körper eben so verlangt wird. Wie genau die Muster aussehen sollen, ist Gegenstand der Forschung. CellPROM untersucht hierzu unter anderem die Struktur von Zellhäuten.
"Diese Makromoleküle, die müssen eng beieinander liegen. Wenn Sie eine Zelloberfläche anschauen, dann haben Sie ungefähr alle drei, vier Nanometer ein neues Makromolekül, auch etwa von dieser Größenordnung. Das macht man sich nicht so deutlich, und in dieser Skalierung Oberflächen zu komponieren, auch dort müssen wir erst Techniken entwickeln."
Immerhin, es gibt da schon einiges, das NanoINK-Prinzip etwa, das die geordnete Verteilung winziger Substanzmengen mit einem Rastersondenmikroskop gestattet, oder nanoskopische Stempeltechniken - das Ziel ist also nicht utopisch. Und wenn, wie vorgesehen, dereinst Automaten Stammzellen in Massen in Zellen, Zellverbände der Wahl verwandeln, könnten künstliche, aber aus eigenem Körpermaterial hergestellte Organe, die vom Immunsystem unbehelligt bleiben, Wirklichkeit werden.
"Das ist ja der Wunsch, der später dahinter steht, dass man gerne Gewebe erzeugen will. Bei der Haut kann man das schon sehr gut, es wird immer so vollmundig versprochen, dass man eine Niere erzeugen könnte, der Weg ist noch weit, aber prinzipiell ist das natürlich möglich."
In vier Jahren Projektlaufzeit schon soll die massenhafte Zellprogrammierung durch nanostrukturierte Zellunterlagen möglich sein. Wenn es klappt, ist in Europa Wissenschaftsgeschichte geschrieben worden. Wenn nicht, sind zumindest einige wichtige Wissenslücken geschlossen worden.