Die einfache Antwort auf die Frage „Ist es möglich, eine Niere zu züchten?“ lautet „Ja“, denn Dr. Marc Hammerman und seine Kollegin Sharon Rogers, MS, haben es geschafft – und zwar mit größerem Erfolg als alle anderen Forscher der Welt.
Die komplexere Antwort beginnt mit „Ja“ und erzählt dann von einer Forschungsreise, die 1996 begann, als Hammerman und Rogers sich genau diese Frage stellten. Hammerman ist Direktor der Nierenabteilung der Washington University School of Medicine und des Barnes-Jewish Hospital. Rogers ist Forschungsdozent für Medizin innerhalb dieser Abteilung.
„Thomas Edison definierte Genie als 1 Prozent Inspiration und 99 Prozent Transpiration“, sagt Hammerman. „Unsere Inspiration kam, als wir die Hypothese aufstellten, neue Organe, Nieren und endokrine Pankreas zu züchten, indem wir transplantierte embryonale Organ-Primordien vom Schwein als Ausgangsmaterial verwendeten. Seit nunmehr 17 Jahren befinden wir uns in der Schwebephase unserer Forschung, um zu beweisen, dass dies möglich ist.“
Hammerman ist führend auf dem aufkeimenden Gebiet der Organogenese, die sich auf die Züchtung neuer Organe unter Verwendung von embryonalen Zellclustern aus Tieren wie dem Schwein konzentriert. Diese Cluster werden als Organprimordien bezeichnet. Im Gegensatz zu Stammzellen können sich Organprimordien nicht zu einem beliebigen Zelltyp entwickeln. Vielmehr sind sie darauf festgelegt, sich zu einem bestimmten Zelltyp oder zu einem Zelltyp aus einer Reihe von Zelltypen zu entwickeln, die ein Organ ausmachen.
Ein kompliziertes Organ zu züchten
„Die Herausforderung bei der Züchtung einer Niere besteht darin, dass es sich um ein sehr kompliziertes Organ handelt; man braucht Hunderte von verschiedenen Zelltypen, damit die Niere funktioniert, und sie müssen in genau der richtigen Konfiguration zusammenkommen“, sagt Hammerman. „Das ist eine Herausforderung, der niemand mit embryonalen Stammzellen auch nur annähernd gewachsen ist, weil der Zusammensetzungsprozess so schwierig ist, dass wir nicht herausfinden können, wie wir ihn steuern können.“
Das Geniale an Hammermans und Rogers‘ Technik ist, dass die embryonalen Schweinenieren-Primordien, die sie in Ratten verpflanzen, bereits wissen, wie sie sich selbst zusammensetzen. Darüber hinaus haben die Forscher herausgefunden, dass die Primordien nach der Transplantation in den Wirt die Blutgefäße anziehen, die für das Funktionieren des Organs erforderlich sind. Was ihren patentierten Ansatz jedoch wirklich einzigartig macht, ist ihre Fähigkeit, eine perfekte Niere zu erzeugen, die Urin ausscheidet, etwas, das anderen Forschern nicht mit gleichem Erfolg gelungen ist.
„Wir erreichen dies, indem wir nicht nur die embryonale Niere transplantieren, sondern auch den Teil, der sich zum Harnleiter entwickelt. Sobald sich dieser entwickelt, verbinden wir den transplantierten Harnleiter chirurgisch mit dem Harnleiter des Wirts“, sagt Hammerman. „Alle diese Verfahren sind äußerst mühsam und erfordern eine delikate Mikrochirurgie an kaum sichtbaren Organen.“
Andere Forschungsgruppen haben dieses Verfahren mit ähnlichen Ergebnissen reproduziert, aber nicht weiter perfektioniert. Hammerman glaubt, dass der Grund dafür ganz einfach darin liegt, dass das, was sie tun, ungeheuer schwierig ist.
„Auf die Idee zu kommen, eine embryonale Niere zu transplantieren und zu denken, dass sie vaskularisiert werden und sich zu einer perfekten Niere differenzieren könnte – das ist eine bemerkenswerte Idee“, sagt er. „Aber irgendwann muss das Potenzial in die Realität umgesetzt werden. Und das ist schwierig. Jeder Schritt in einem wissenschaftlichen Prozess, der zu einer Anwendung beim Menschen führt, ist schwierig. Die Entstehung einer Idee ist der schwierigste Schritt, aber es ist eher ein kreatives Unterfangen. Die nächsten Schritte beinhalten viel harte Arbeit – die Lösung einer großen Anzahl von Problemen, von denen man einige erwartet, andere überraschen, die notwendig sind, um die Technologie an den Punkt zu bringen, an dem sie als klinisches Hilfsmittel nützlich sein könnte.“
Obwohl der Punkt, an dem die Transplantation von Schweinenieren-Primordien in Menschen, um neue Nieren zu züchten, noch Jahre entfernt ist, ist die Technik so weit fortgeschritten, dass neue Nieren, die in Ratten gezüchtet wurden, es den Tieren ermöglichten, sieben bis acht Tage zu leben, nachdem die ursprünglichen Nieren entfernt wurden.
„Der nächste Schritt wird die Transplantation von Schweinenieren-Primordien in Primaten sein. Das werden wir aber erst dann tun, wenn wir eine Immunsuppression entwickelt haben, die das Wachstum und die Differenzierung der Niere ermöglicht, und diese neue Niere muss das Tier über einen längeren Zeitraum am Leben erhalten“, sagt Hammerman.
Transplantation einer Bauchspeicheldrüse
Der Schritt zu Primaten wurde bereits mit der Arbeit von Hammerman und Rogers vollzogen, die embryonale Bauchspeicheldrüsen von Schweinen als Mittel zur Behandlung von Typ-1- und Typ-2-Diabetes beim Menschen transplantierten.
„Wenn wir die Bauchspeicheldrüsen-Primordien in Primaten transplantieren, differenzieren sie sich in Betazellen, die sich dann im Wirt vermehren“, erklärt Hammerman. „Wir können Diabetes bei zuckerkranken Ratten heilen und die Glukoseintoleranz bei einem zuckerkranken Primaten um einiges verbessern, obwohl wir den Diabetes langfristig nicht vollständig heilen konnten; innerhalb von ein oder zwei Monaten benötigt der Primat Insulin. Wir werden nicht daran denken, die FDA-Zulassung für Versuche am Menschen zu beantragen, bevor wir nicht in der Lage sind, einen diabetischen Primaten mindestens sechs Monate lang insulinfrei zu machen.“
Hammerman hielt sich selbst nie für einen geduldigen Menschen, bis er seine Arbeit in der Organogenese begann, aber diese Eigenschaft und sein Pioniergeist erweisen sich als notwendige Qualitäten für die Arbeit in diesem Bereich. „Wenn man Wissenschaft betreibt, kann man oft in der Literatur jemanden finden, der auf ein ähnliches Problem wie man selbst gestoßen ist und einen Weg gefunden hat, es zu lösen“, sagt Hammerman. „Das ist bei uns nicht der Fall. Wir beschreiten neue Wege, was bedeutet, dass wir viel ausprobieren müssen. Die Experimente selbst sind zeitaufwändig. Es dauert 120 Tage, um eine Schweineniere in einer Ratte zu züchten, denn so lange dauert es in einem Schwein. Es vergehen also vier Monate, bevor wir wissen, ob ein Experiment funktioniert hat oder nicht.“
Lohnt sich der Aufwand, Nieren und Bauchspeicheldrüsen zu züchten? Hammermans Antwort ist ein klares „Ja“.
„Jedes Jahr stehen etwa 10.000 Nieren für die Transplantation bei Patienten mit Nierenerkrankungen im Endstadium zur Verfügung“, sagt er. „Aber die Wartelisten für Nierentransplantationen können bis zu 100.000 Personen umfassen. Die meisten Patienten sterben an ihrer Krankheit, bevor ein Organ zur Verfügung steht. Und wenn wir eine Transplantationsheilung für beide Arten von Diabetes entwickeln können, würde dies Millionen von Menschen zugute kommen. Ich bin davon überzeugt, dass Therapien, die auf der Züchtung neuer Organe beruhen, bis Mitte des 21. Jahrhunderts zu den gängigen medizinischen Verfahren gehören werden.“