Im Jahr 2007 machte eine Gruppe von Forschern eine verblüffende Entdeckung: Sie hatten aus Stammzellen, die dem Knochenmark menschlicher Männer entnommen worden waren, spermienähnliche Zellen erzeugt. Zwei Jahre später wurde die Studie jedoch aufgrund von Plagiatsvorwürfen zurückgezogen. Dreizehn Jahre später ist die Fähigkeit, funktionierende menschliche Spermien aus Stammzellen zu erzeugen, immer noch schwer zu fassen.
Wissenschaftler versuchen seit 20 oder 30 Jahren herauszufinden, wie man funktionierende menschliche Geschlechtszellen – Eizellen und Spermien – aus Stammzellen erzeugen kann, sagt Vittorio Sebastiano, ein Stammzellenbiologe an der Universität Stanford, dessen Forschung sich auf die Reproduktionsbiologie konzentriert. Dies würde Menschen, die mit Unfruchtbarkeit zu kämpfen haben, helfen, Kinder zu bekommen, und Wissenschaftlern dabei helfen, die Geheimnisse der menschlichen Entwicklung zu entschlüsseln. Seit 2007 haben Wissenschaftler in diesem Bereich beträchtliche Fortschritte erzielt und gesunde Mäusewelpen aus mit Stammzellen erzeugten Keimzellen und sogar unreifen menschlichen Eizellen gezeugt. Aber es liegt noch ein langer Weg vor uns, bis Wissenschaftler in der Lage sein werden, Haut oder Knochenmark in Babys zu verwandeln.
„Wir versuchen, wirklich Wege zu finden, um effizient und robust Keimzellen zu erzeugen, die kurzfristig dazu verwendet werden können, die Biologie dieser Konzepte zu verstehen, aber langfristig in der Lage sind, die Fruchtbarkeit wiederherzustellen“, sagt Sebastiano.
Als 1978 das erste durch In-vitro-Fertilisation (IVF) gezeugte Baby geboren wurde, war dies ein großer Fortschritt für die Reproduktionswissenschaft und ein Vorläufer der Stammzellenforschung, die Sebastiano und andere heute betreiben, sagt er. Die IVF ist jedoch nicht für alle Menschen oder Paare, die ein biologisches Kind haben wollen, eine Option, auch nicht für diejenigen, die ohne Keimzellen geboren werden oder die in jungen Jahren eine aggressive Krebsbehandlung erhalten. Diese wissenschaftliche Technik würde diesen Menschen eine neue Chance zur Fortpflanzung bieten.
Der nächste große Schritt erfolgte in den 2000er Jahren mit der Schaffung induzierter pluripotenter Stammzellen (iPSC). Diese Zellen werden aus Blut- oder Hautzellen gewonnen und so umprogrammiert, dass sie sich wie embryonale Zellen verhalten, die die Fähigkeit haben, sich zu jeder Art von Zelle im Körper zu entwickeln. Seitdem versuchen Forscher herauszufinden, wie man diese embryonalähnlichen Zellen in funktionsfähige Spermien und Eizellen verwandeln kann.
Nailing Down the Basics
Teilweise ist diese Arbeit deshalb so schwierig, weil die Wissenschaftler nicht in der Lage waren, vollständig zu verstehen, was in einem menschlichen Embryo während der normalen Entwicklung passiert, sagt Sebastiano. Die Wissenschaftler verstehen diesen Prozess bei Mäusen, weil die Nager im Labor leicht zu untersuchen sind. Aber ethische Einschränkungen und technische Faktoren (wie der Zugang zu den Embryonen zum richtigen Zeitpunkt) machen es schwierig, dieses Phänomen beim Menschen zu untersuchen, sagt er.
Trotz der Hindernisse haben die Wissenschaftler in den letzten zehn Jahren bedeutende Fortschritte gemacht. Im Jahr 2012 erzeugte eine Gruppe von Forschern in Japan aus iPSCs befruchtungsfähige Mauseier und züchtete mit diesen Eiern gesunde Mäusewelpen. „Bei der Maus hat sich der Kreis bereits geschlossen“, sagt Sebastiano. „Jetzt haben einige Gruppen im Vereinigten Königreich und in Japan gezeigt, dass man aus Mäusen embryonalähnliche Zellen erzeugen und diese Zellen dann tatsächlich dazu bringen kann, sich zu Eiern oder Spermien zu entwickeln, die voll funktionsfähig sind.“
Im Jahr 2018 gelang derselben Gruppe japanischer Wissenschaftler ein weiterer wichtiger Durchbruch. Unter Verwendung menschlicher Blutzellen und der Technik der pluripotenten Stammzellen gelang es ihnen, unreife menschliche Eizellen zu erzeugen.
Analoge Bemühungen zur Erzeugung von Spermien sind noch nicht so weit fortgeschritten, sagt Sebastiano. Im Laufe der Jahre gab es mehrere Versuche, spermienähnliche Zellen zu erzeugen, darunter die Studie aus dem Jahr 2007 über Blutmark. Eine viel beachtete Studie, die 2014 veröffentlicht wurde, machte ebenfalls Schlagzeilen, aber Sebastiano sagt, dass die Entwicklung der Zellen in dieser Studie nicht weit über die frühesten Stadien der Differenzierung hinausging.
„Aber wir arbeiten aktiv daran“, sagt Sebastiano. „Wahrscheinlich werden wir in den nächsten Jahren in der Lage sein, voll funktionsfähige Spermien und voll funktionsfähige Eizellen zu erzeugen.“ Dann wird sich die Frage stellen, wie die Wissenschaftler die Qualität dieser Gameten testen können, sagt er.
Testen des Lebenszyklus
Die einzige Möglichkeit, die Qualität und Funktionalität eines Spermiums oder einer Eizelle vollständig zu beurteilen, besteht darin, sie zu verwenden, um eine andere Gamete zu befruchten und ein Baby zu erzeugen. Deshalb muss diese Arbeit mit äußerster Sorgfalt angegangen werden, sagt Sebastiano. Er stellt die Hypothese auf, dass sobald die Wissenschaftler Techniken entwickelt haben, die ihrer Meinung nach reife menschliche Eizellen und Spermien hervorbringen, der nächste Schritt darin bestehen wird, diese Techniken an Primaten zu testen. Auf diese Weise können die Forscher das gesamte Leben einzelner Tiere verfolgen, die mit dieser Technik erzeugt wurden, um zu sehen, ob sich unerwartete Probleme entwickeln, sagt er.
Sebastiano hat keinen Zweifel daran, dass diese Stammzellen eines Tages Menschen, die mit Unfruchtbarkeit zu kämpfen haben, helfen könnten, gesunde Kinder zu zeugen. Dies und die Faszination für die biologische Entwicklung sind die Triebfedern von Sebastianos Arbeit. Natürlich gibt es auch wichtige ethische Überlegungen, die sorgfältig abgewogen werden müssen. Diese Technik hat das Potenzial, das menschliche Leben auf einer Generationsebene zu beeinflussen, stellt er fest. Und viele Menschen machen sich auch Sorgen über andere künftige Folgen, wie die Möglichkeit, „Designer-Babys“ zu schaffen oder Nachkommen aus Haaren zu erzeugen, die ahnungslosen Prominenten gestohlen wurden. Bioethik-Experten haben darauf hingewiesen, dass die medizinischen und rechtlichen Fragen im Zusammenhang mit dieser Technik jetzt geklärt werden müssen, bevor sie praktikabel ist.
„Es ist tatsächlich notwendig, diese Technik zu entwickeln, aber da wir es mit einem sehr einzigartigen Zelltyp zu tun haben … müssen wir vorsichtig sein“, sagt Sebastiano.