Einleitung
Die Restaurierung, Reparatur und der Ersatz erkrankter Gewebe und Organe sind Prioritäten des Gesundheitssystems und eine Notwendigkeit, die durch die Zunahme degenerativer Erkrankungen in alternden Bevölkerungen und steigenden Erwartungen an Gesundheit und Lebensqualität verstärkt wird. Die Transplantation menschlicher Organe (Allotransplantation) war über die vergangenen sechs Jahrzehnte sehr erfolgreich. Herz- und Nierentransplantationen sind die Therapien der Wahl bei Organversagen im Endstadium. Die notwendigen chirurgischen Kapazitäten sind in verschiedenen medizinischen Zentren vorhanden, aber die effektive Umsetzung von Allotransplantationen ist begrenzt durch den weltweiten Mangel an Spenderorganen. Die Folgen für Patienten auf den Organwartelisten sind gravierend. In Deutschland liegt die jährliche Sterberate von Patienten, die auf ein Herz warten, bei 17,1 Prozent. Die durchschnittliche Wartezeit für eine Niere beträgt fünf Jahre, was die Aussichten für Nierenpatienten erheblich reduziert, da die Transplantatüberlebenszeit nach länger andauernder Dialyse deutlich sinkt. Es wurden im Jahr 2010 2937 Patienten Nieren transplantiert, während etwa 8000 Patienten auf der Warteliste verblieben, es gab 393 Herztransplantationen, während mehr als 700 Patienten für die Transplantation neu gemeldet waren, und 298 Lungen wurden transplantiert, während sich 420 Patienten neu registrierten.
Die sich in den Wartelisten widerspiegelnde Versorgungsknappheit hat die Suche nach Alternativen und die Forschung in mehreren Bereichen initiiert. Untersuchungen zum Aufbau und der Arbeitsweise von Zellen erlauben die Isolierung und Differenzierung multipotenter und pluripotenter humaner Stammzellen - Stammzellen, die sich zu anderen Körperzellen entwickeln können - für Ersatztherapien. Fortschritte in der Gewebezüchtung (tissue engineering) legen die Herstellung von klinisch anwendbaren Geweben und sogar Organen in Kultur nahe. Auch die Xenotransplantation, das heißt die Transplantation tierischer Zellen, Gewebe und Organe auf den Menschen, ist durch präzise genetische Modifikationen von Tieren und Verbesserungen der Immunmodulation (Beeinflussung des Immunsystems) in greifbare Nähe gerückt. Tierische Gewebe (wie Pankreasinselzellen) sind auf dem Weg in die Klinik, und Ergebnisse bei Xenotransplantationen kompletter Organe in nicht-humanen Primaten sind ermutigend.
Keine dieser Methoden wird für sich genommen Lösungen für die regenerative Medizin als Ganzes bieten, aber die Kombination von komplementären Technologien bietet neue Behandlungsmöglichkeiten für viele Patienten. Insbesondere die Xenotransplantation erlaubt die Erreichbarkeit einer ausreichenden, auf Abruf verfügbaren Zahl von Gewebe- und Organspenden. Dieses Ziel bietet den sofortigen Zugang zu Transplantaten für akute Erkrankungen und Verletzungen, den Stammzellen und andere Behandlungen nicht anbieten. Ein Xenotransplantat kann einen Patienten vital unterstützen bis ein menschliches Spenderorgan zur Verfügung steht oder ein "personalisiertes" Organ gezüchtet werden kann.
Gewebe- und Organzüchtung
Gewebezüchtung ist eine der zentralen Technologien der regenerativen Medizin. Sie umfasst die Isolation lebender, meist vom Patienten stammender Zellen, deren Nachzüchtung und Expansion zu Geweben oder Organteilen unter Laborbedingungen und die anschließende Anwendung für Transplantationen. So kann funktionsfähiger Knorpel in Gewebekultur im Labor (in vitro) hergestellt werden. Aktuell leben in Deutschland schätzungsweise 25000 Menschen mit Haut-, Knochen- oder Knorpelgewebe, das im Labor gezüchtet wurde. Die Wiederherstellung beispielsweise von Gelenkknorpel ist erfolgreich, weil dieses Gewebe aus einem einzigen differenzierten Zelltyp besteht, der nur durch Gelenkflüssigkeit ernährt wird und sein Gerüst (bestehend aus Kollagenfasern und Polyglykanen) selbst herstellt. Das bisher einzige Arzneimittel zur Reparatur von defektem Knorpel im Kniegelenk mit patienteneigenen Zellen (Chondrocelect) wurde 2009 zugelassen.
Die Züchtung von Gewebe ist umso schwieriger, je komplexer es natürlicherweise im Organismus vorliegt wie Leber- oder Nierenparenchymzellen, die wesentliche Bestandteile der Leber beziehungsweise der Niere sind. Für die erfolgreiche Züchtung von funktionsfähigen Organen müssen jedoch neben den Parenchymzellen auch Stützgewebe, Blutgefäße und Gallengefäße, möglicherweise auch Lymphgefäße gezüchtet werden. Ko-Kulturen solch unterschiedlicher Zellen sind eine Herausforderung für die Zukunft. Ein kleiner Schritt in diese Richtung ist einer Arbeitsgruppe am Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf gelungen: Isolierte Zellen aus einer menschlichen Leber wurden in einem Bioreaktor zu kleinen Klumpen (Sphäroide) Lebergewebe gezüchtet. Sie verhielten sich wie normales Lebergewebe, das jedoch keine für die Versorgung durch Nährstoffe und Sauerstoff notwendigen Blutgefäße enthielt.
Um solches Gewebe zu erhalten, reicht es nicht, Leberzellen in einer Petrischale heranwachsen zu lassen. Die Entwicklung von Geweben wird von einer Vielzahl von Einflüssen gesteuert. Damit neu gezüchtetes Gewebe funktionsfähig wird, benötigt es eine spezielle, auf die Art des Gewebes abgestimmte Umgebung. In Bioreaktoren oder Kulturcontainern können optimale Kulturbedingungen hergestellt werden, welche die natürliche physiologische Umgebung der heranwachsenden Gewebe so gut wie möglich simulieren. Dazu gehört neben einem geeigneten Nährmedium auch die Zugabe spezifischer Wachstumsfaktoren. Große Bedeutung für die Entwicklung von Geweben hat die Stimulierung durch rheologischen und hydrostatischen Stress: Zellen, die zu Knochengewebe auswachsen sollen, müssen mechanischem Druck ausgesetzt werden, der in Stärke und Richtung variiert, ähnlich den Bedingungen, denen ein Knochen im Körper ausgesetzt ist; Zellen, die sich zu einem Blutgefäß entwickeln sollen, müssen von Flüssigkeit umströmt werden, die rhythmisch pulsiert. Erst im Zusammenwirken all dieser Faktoren wird sich ein funktionelles Gewebe entwickeln.
Die Schlüsselmethode der Gewebezüchtung beruht auf der Kultivierung lebender Zellen eines Organismus als dreidimensionales Konstrukt. Dieses kann wieder in denselben Organismus transplantiert werden und eine Gewebefunktion erhalten oder wieder herstellen.
Kooperierende Technologien
Eine Notwendigkeit bei der Gewebezüchtung besteht zum einen darin, ein geeignetes Gerüst zu finden, an dem sich Zellen orientieren und zu mehrschichtigen Strukturen ausbilden können. Zum anderen müssen die Bedingungen verstanden und nachgebildet werden, unter denen die Zellen wachsen, sich vermehren und in die verschiedenen Gewebetypen ausdifferenzieren können. Um dieses zu gewährleisten, müssen mindestens drei Forschungsgebiete (Materialforschung, Zellbiologie und Zellkulturtechnik) kooperieren.
In der Materialforschung werden Substanzen entwickelt, die beim Aufbau des Gewebes als Gerüst dienen. Diese Materialien dürfen für den Körper nicht schädlich sein. Neben ihrer Biokompatibilität sind ihre Struktur, die Möglichkeit der Versorgung der Zellen mit Nährstoffen, die Abfuhr von Stoffwechselprodukten und die Beanspruchung durch mechanische Stimuli wesentlich. Als Gerüst wird meistens ein feines Gewebe aus Kunststoff verwendet, das die Form des nachgezüchteten Gewebes bestimmt.
Eine weitere Alternative sind sogenannte Bioherzklappen, die unter Verwendung menschlicher Herzklappen entwickelt werden.
Klinische Versuche mit Herzklappen von menschlichen Organspendern müssen in Deutschland gemäß gesetzlicher Regularien (Arzneimittelgesetz und Transplantationsgesetz) durchgeführt werden. Erlaubt ist die Anwendung solcher Transplantate nur im Rahmen eines Heilversuchs, wenn es für den Patienten in einer Notfallsituation keine Alternativen gibt. 2006 wurde in einer solchen Situation erstmals eine durch Gewebezüchtung hergestellte Vene transplantiert.
Die Gewährleistung der Durchblutung des neu entstandenen Gewebes stellt eine große Herausforderung an die Zellbiologie dar. Entweder müssen a priori Blutgefäße im gezüchteten Gewebe mitwachsen, oder es müssen geeignete Wachstumsfaktoren eingebaut werden, damit später Blutgefäße in das transplantierte Gewebe einwachsen können, die dieses mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgen. Für größere Gewebe und komplexe Organsysteme wie Niere, Blase, Bauchspeicheldrüse oder Herz ist eine Versorgung mit Blutgefäßen unabdingbar. Nur wenn Gewebe und Organe ein Gefäßnetzwerk besitzen, können sie beim Transplantieren mit dem Blutkreislauf des Empfängers verbunden werden.
Zu diesem Zweck wurde eine Methode entwickelt, um aus zellfreiem Schweinedarm eine biologische Trägersubstanz mit eigener Gefäßversorgung herzustellen. Durch aufwändige biologische und chemische Verfahren werden alle tierischen Zellen aus dem daumendicken Darm "gespült", bis nur noch das Bindegewebsgerüst übrig bleibt: ein feines, engmaschiges Röhrensystem bestehend aus den Kollagenfasern der früheren Blutgefäße. Dieses filigrane Trägergerüst lässt sich zunächst mit menschlichen Endothelzellen auskleiden, die wie bei natürlichen Adern eine regulierende Barriere zwischen Blut und Gewebe bilden. Auf die Endothelschicht werden im Folgenden Haut-, Darm-, Leber- oder Luftröhrenzellen angesiedelt, welche sich in Bioreaktoren weiter entwickeln können. Die Versorgung des auf diese Weise entstehenden dreidimensionalen Gewebes mit Nährstoffen erfolgt durch das verbliebene Röhrensystem der Schweineblutgefäße. Auf diese Weise wurde Luftröhrengewebe hergestellt, das bei der Transplantation an den Blutkreislauf des Patienten angeschlossen werden konnte.
Xenotransplantation
Die Transplantation tierischer Zellen, Gewebe und Organe auf den Menschen wird unter anderem im Hinblick auf die Behandlung der Zuckerkrankheit Diabetes mellitus diskutiert. Diabetes stellt ein stark zunehmendes Krankheitsbild in der westlichen Bevölkerung dar. Die Zahl diabetischer Patienten hat sich im vergangenen Jahrzehnt verdoppelt. Während die Insulintherapie für die meisten Patienten erfolgreich ist, üben die langfristigen Komplikationen von Diabetes zunehmenden Druck auf die Gesundheitssysteme aus. Insbesondere der Unterzucker (Hypoglykämie) ist für 5 bis 10 Prozent der Patienten lebensbedrohlich. Unter diesen Umständen wird die allogene Pankreasinselzelltransplantation (die Transplantation der benötigten Zellen für das Funktionieren der Bauchspeicheldrüse) als eine Lösung für Typ-1 Diabetiker vorgeschlagen: Sie bringt relativ geringe Operationsrisiken, aber erheblich gesteigerte Lebensqualität mit sich. Diese Behandlung wird jedoch durch die geringe Zahl geeigneter Spender und die große Zahl von Inselzellen, die für einen einzelnen Patienten notwendig sind, eingeschränkt.
Die xenogene Inselzelltransplantation, bei welcher die benötigten Bauchspeicheldrüsenzellen Schweinen entnommen werden, bietet praktische Lösungen für beide Probleme. Nicht-klinische Experimente in den USA zeigten die erfolgreiche Behandlung von Diabetes über sechs Monate bei Cynomolgus Affen und über neun Monate bei Rhesusaffen.
Generelle Hindernisse
Die Xenotransplantation bietet zwar Vorteile für die regenerative Medizin. Beträchtliche immunologische und andere Hürden müssen jedoch überwunden werden, bevor Xenotransplantate klinische Realität werden. Dazu gehören das Blutgerinnungssystem und die Abstoßungsmechanismen durch präformierte natürliche Antikörper. So ist ein genetisch nicht modifiziertes Schweineorgan, welches in Primaten oder menschliche Empfänger transplantiert wird, einer Reihe von Abstoßungsreaktionen des menschlichen Immunsystems ausgesetzt. Auf die hyperakute Abstoßungsreaktion folgt die akute Xenotransplantatreaktion. Die Bildung von Antigen-Antikörper-Komplexen aktiviert das menschliche Komplementsystem mit der Folge von Zellauflösung und -zerstörung, was wiederum das Blutgerinnungssystem in Gang setzt. Das Ergebnis sind Blutungen, Ödeme und Blutgerinnsel (Thrombosen) von kleinen Blutgefäßen, mit dem Verlust des Transplantats innerhalb von Stunden. In der Forschung werden mehrere Strategien entwickelt, um diesen Prozess zu unterbinden wie beispielsweise die Modifikation verschiedener Gene in der Schweineerbsubstanz, um keine Abstoßungsreaktionen des menschlichen Immunsystems gegen bestimmte Eiweißmoleküle des Schweins hervorzurufen.
Die Infektionssicherheit ist eine weitere Priorität der Xenotransplantation. Die Übertragung von Schweinekrankheiten sowie anderen bekannten und unbekannten krankheitsauslösenden Mikroorganismen auf den Empfänger muss a priori ausgeschlossen werden. Darüber hinaus besteht das Risiko, dass neue Infektionskrankheiten durch Anpassung der Erreger im Immunsystem des Empfängers in die menschliche Bevölkerung gelangen. Prinzipiell wird die mikrobiologische Kontrolle der Spendertiere auf drei Ebenen unterschieden:
Keimfreie Tiere werden nach der Gebärmutterentfernung (Hysterektomie) aus dem Muttertier lebenslang in Isolatoren gehalten. Diese Tiere sind frei von allen Infektionserregern außer solchen, die über die Keimbahn oder während der Zellentwicklung in den Organismus kamen (wie porzine endogene Retroviren, PERV) oder über transplazentale Wege wie Herpesviren übertragen werden.
Spezifisch pathogenfreie Tiere, also Tiere, die frei sind von bestimmten Krankheitserregern wie Pilzen, Viren oder Bakterien, werden nach Hysterektomie aus dem Muttertier gewonnen, und die aus ihnen gezüchteten Nachkommen werden in isolierten Stallungen mit Barrieren gehalten, um als Spendertiere zur Verfügung zu stehen.
Qualifiziert pathogenfreie Tiere stammen aus abgeschlossenen Herden beziehungsweise Tierkolonien mit dokumentierten Gesundheitsüberwachungsprogrammen. Alle bekannten Infektionserreger müssen kontrolliert werden.
Ethische Aspekte
Der ethischen Beurteilung von Tierversuchen im Allgemeinen und Xenotransplantationen im Besonderen liegen unterschiedliche philosophische Ansichten zu Grunde. Dem sogenannten anthropozentrischen steht der biozentrische Ansatz gegenüber. Während der erste Ansatz die Natur insgesamt auf den Menschen aufgrund seiner "Geistbegabung" hin ausgerichtet sieht, lehnt der biozentrische Ansatz eine Wertabstufung zwischen Tieren und Menschen grundsätzlich ab. Im Gegensatz zur anthropozentrischen Betrachtungsweise wird Tieren der gleiche Wertstatus wie dem Menschen eingeräumt. In Deutschland wird mehrheitlich ein integratives Konzept vertreten, das beiden Ansätzen Rechnung trägt. Dem Menschen kommt eine besondere Stellung innerhalb der Natur zu. Tiere werden als Mitgeschöpfe mit eigener Würde und einem Anrecht auf deren Respektierung betrachtet, deren Wohl durch den Menschen in bestmöglicher Weise zu wahren und zu fördern ist. Wenn es jedoch um Erhaltung, Schutz und Rettung von menschlichem Leben geht, ist die Nutzung von Tieren zu Versuchen und auch deren Tötung unter Beachtung des Grundsatzes der Verhältnismäßigkeit erlaubt.
Bei der Transplantation von tierischen Organen oder Geweben in den Menschen handelt es sich um eine Grenzüberschreitung innerhalb der Natur, für die eine besondere Nutzen-Risiko-Abwägung unabdingbar ist. Der ausgeprägte Mangel an Spenderorganen und die damit verbundenen Leiden der Patienten rechtfertigen die Entwicklung der Xenotransplantation. Die große Verfügbarkeit von Xenotransplantaten würde auch das Problem der gerechten Zuteilung menschlicher Spenderorgane lösen. Mögliche Risiken einer Xenotransplantation müssten vom jeweiligen Patienten abgewogen werden. Darüber hinaus müssten Risiken für die Allgemeinbevölkerung ausgeschlossen werden wie das Risiko einer Virusinfektion mit potenziell weitreichenden Konsequenzen.
Eine in Deutschland durchgeführte Akzeptanzstudie zeigte, dass von 1000 Patienten nur 7 Prozent eine Xenotransplantation ablehnen würden; die große Mehrheit würde ein tierisches Transplantat auch mit damit verbundener intensiverer medikamentöser Therapie und somit stärkeren Nebenwirkungen akzeptieren.
Perspektiven
Unter Experten herrscht Übereinstimmung, dass die Xenotransplantation auf dem Weg in die klinische Praxis ist, was weltweit betrachtet insbesondere für die xenogene Inselzelltransplantation zutrifft. Dennoch müssen eine Reihe offener Fragen beantwortet werden. Dazu gehört ein zuverlässiges Langzeitüberleben nach Herz- beziehungsweise Nierenxenotransplantationen; als Orientierungswert wird ein Minimum des Überlebens von sechs aus zehn Schweineherzen in nicht-humanen Primaten für drei Monate vorgeschlagen.
Des Weiteren gehört dazu eine genaue Identifizierung der zellulären und von Antikörpern abhängigen Abstoßungsmechanismen; das Ziel ist eine erfolgreiche Unterdrückung dieser Abstoßungsprozesse. Hinzu kommen die umfangreiche Lagerung und das Testen von Spender- und Patientengewebeproben zur Überwachung von (un-)bekannten Pathogenen und Krankheitserregern sowie ein internationales Register und Archiv verbunden mit lebenslanger Kontrolle, welche aufgrund der möglichen Ansteckungsgefahr auch auf den Patienten nahestehende Personen ausgeweitet werden müsste. Im Hinblick auf "Xenotourismus" und potenzielle Infektionsrisiken für die Bevölkerung ist zu erwägen, inwieweit eventuell infizierte Patienten nach Xenotransplantationen unter Quarantänebedingungen leben müssten.
