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16.05.11 / 00:07
Heft 10/2011 Titel
Fortbildungsteil 1/2011

Dentale Stammzellforschung heute und morgen

Die Stammzellforschung gehört zu den heute in der Bevölkerung, den Medien, der Politik oder den Religionen am meisten diskutierten biomedizinischen Feldern [Jung, 2009]. In der zahnmedizinischen Praxis scheint das Thema jedoch bisher keine große Rolle zu spielen. Die Meinungen in der Zahnärzteschaft dazu dürften ähnlich breit gefächert sein wie in der Gesamtbevölkerung und von strikter Ablehnung bis hin zu euphorischen Hoffnungsäußerungen reichen.




Einerseits befürchten die Kolleginnen und Kollegen vielleicht den Niedergang von Füllungstherapie, Prothetik oder Implantologie, wie dies jüngst eine Karikatur in dieser Zeitschrift thematisierte (Abbildung 1), andererseits begrüßt man vielleicht die Möglichkeit, Zähne komplett nachwachsen zu lassen.

Inzwischen hofft auch mancher Patient auf einen „sanften“ biologischen Ersatz von Zahnhartgeweben, von ganzen Zähnen, des Kieferknochens oder wünscht sich ein komplettes Nachwachsen dritter Zähne. Tatsächlich ist die dentale Stammzellforschung jedoch schon sehr weit fortgeschritten [Götz, 2008; Morsczeck et al., 2008, 2010; Honda et al., 2010b; Ulmer et al., 2010; Zivkovic et al., 2010; Volponi et al., 2010; Galler u. D’Souza 2011; Krasner u. Verlander 2011; Yen u. Yelick, 2011]. Die Ursachen liegen in den allgemeinen Fortschritten der biomedizinischen Stammzellforschung und in zunehmenden Erkenntnissen über die molekularen und genetischen Grundlagen der Zahnentwicklung. Die gute Zugänglichkeit der Mundhöhle und die Untersuchung durch zahnmedizinische und kieferchirurgische Eingriffe massenhaft anfallender Gewebe hat zur Identifizierung und Charakterisierung von Stammzellen in fast allen anatomischen Regionen des orofazialen Systems geführt. Diese Fortschritte haben in einigen Ländern wie zum Beispiel in den USA oder in Ostasien durch die engere Verknüpfung von Grundlagenforschung, Praxis und Industrie zu ersten klinischen Studien mit stammzellunterstützten Techniken im zahnmedizinischen Bereich geführt. Wegen der mangelnden inhaltlichen und räumlichen Verbindung zwischen biomedizinischer Grundlagenforschung und den Zahnkliniken hierzulande, das heißt einer fehlenden Translation zwischen Praxis und Wissenschaft, hinkt Deutschland auf diesem Gebiet hinterher. Hinzu kommen auch gesetzgeberische und administrative Hürden für die Stammzellforschung und die Tatsache, dass vonseiten der Dentalindustrie bisher noch wenig Interesse besteht. Ganz anders in Australien, wo an der University of Adelaide ein führender Konzern der Dentalbranche in enger Kooperation die Förderung eines ganzen Stammzellinstituts übernommen hat. In den USA sowie in einigen europäischen Ländern werben kommerziell arbeitende Stammzellbanken inzwischen auch mit der Möglichkeit, dentale Stammzellen aus Milchzähnen oder aus extrahierten bleibenden Zähnen zu isolieren und für mögliche regenerative Anwendungen in der Zukunft einzulagern (Abbildung 2).

Stammzellen – ein Überblick

Stammzellen sind selbsterneuerbare undifferenzierte Zellen, die als sogenannte toti- oder pluripotente Zellen die Fähigkeit haben, einen gesamten Organismus oder alle Zell-Linien des Körpers zu bilden. Zellteilungen führen zur Bildung von Tochterzellen mit reduziertem Entwicklungspotential und weiter differenzierten Abkömmlingen, die sich nur noch in bestimmte Zellarten entwickeln können (Progenitor- oder Vorläuferzellen). Stammzellen sind plastisch, das heißt Differenzierungen über Gewebegrenzen (Transdifferenzierung) hinweg sind möglich. Aus einer mesenchymalen Stammzelle kann sich also nicht nur möglicherweise eine Knochenzelle, sondern unter bestimmten Bedingungen auch eine Nervenzelle entwickeln. Die Methoden zur Isolierung, Etablierung und Züchtung von Stammzellen sind heute Routine. Es muss allerdings nachgewiesen werden, dass es sich tatsächlich um Stammzellen handelt: Unter Laborbedingungen sollten aus ihnen alle Grundgewebearten (Epithelien, Nervenzellen, Muskulatur, Bindegewebe) ableitbar sein. Durch Anzüchtung in bestimmten Medien und Stimulationen mit biologischen Faktoren können Stammzellen in unterschiedliche Differenzierungsrichtungen gezwungen werden (Abbildung 3). Nach Herstellung gewünschter Zell-Linien werden diese zur weiteren Charakterisierung in Versuchstiere implantiert und dort wird ihr Verhalten, wie im Hinblick auf die Bildung gewünschter Gewebe oder Organe oder auf das Auftreten unerwünschter Nebenwirkungen, studiert (Abbildung 4). Die Forschung an Stammzellen ist eng mit dem sogenannten Tissue Engineering (Gewebezüchtung und -konstruktion) und mit gentechnologischen Methoden verknüpft. Zur Entwicklung stammzellbasierter Organe oder Implantate können die Zellen beispielsweise auf Trägermaterialien („Scaffolds“) aufgebracht und mit bioaktiven Faktoren kombiniert werden [Lutolf et al., 2009]. Tissue-Engineering-Verfahren mit Stammzellen haben in den letzten Jahren zu oft spektakulären Erfolgen in der regenerativen Medizin geführt. Beispiele sind die Entwicklung von Herzklappen, Luftröhren, Darm, Harnblasen oder auch von Mundschleimhaut.

Man unterscheidet heute folgende Typen von Stammzellen [Katsumoto et al., 2010]:

Embryonale Stammzellen (ES) des Menschen werden aus „überschüssigen“ Embryonen nach In-vitro-Fertilisation gewonnen [Sterthaus et al., 2009; Nichols und Smith, 2011]. Die Diskussion über die ethischen und die politischen Aspekte der ES hat in den letzten Jahren die öffentliche Auseinandersetzung über die Stammzellforschung bestimmt [Pflegerl et al., 2008; Hyun, 2010]. ES sind prinzipiell für eine mögliche therapeutische Nutzung innerhalb der Mundhöhle einsetzbar, da sich aus ihnen auch Knochenzellen wie Osteoblasten oder Fibroblasten der Wurzelhaut (Parodontal-Ligament, PDL) entwickeln lassen [Duplomb et al., 2007]. Kultiviert man menschliche ES mit PDL-Zellen, entwickeln sich aus ihnen knochenähnliche Zellen und Fibroblasten, die sogar denudierte Wurzeloberflächen besiedeln können [Inanc et al., 2009]. Verschiedene Versuche zeigten, dass es wahrscheinlich auch bald möglich sein wird, aus ES Schmelz-produzierende Ameloblasten herzustellen [Ning et al., 2010].

Induzierte pluripotente Stammzellen (iPS) entstehen aus differenzierten Körperzellen, zum Beispiel Fibroblasten, nach Vorselektion und Einbringen bestimmter Gene (Reprogrammierung) [Hanna et al., 2010; Yoshida u. Yamanaka, 2010]. Inzwischen ist dieses Verfahren auf zahlreiche Körperzellen gesunder und kranker Menschen anwendbar. Im letzten Jahr wurden zum ersten Mal iPS-Zellen aus Pulpazellen und aus Gingiva-Fibroblasten des Menschen hergestellt [Egusa et al., 2010; Tamaoki et al. 2010]. Zur Einschleusung in die Zellen werden Viren als sogenannte Vektoren benutzt. Neuerdings gelingt eine Umprogrammierung aber auch durch das Einbringen von Proteinen in die Zellen. Die quasi in ihren „jungfräulichen“ Zustand zurückversetzten Zellen können genetisch neu bestückt und wie Stammzellen aus anderen Quellen weiterverwendet werden. Die Forschung auf dem Gebiet der iPS schreitet sehr schnell voran. Sie eignen sich sehr gut zum Studium von Krankheiten im Reagenzglas oder zur Medikamententestung, ihre therapeutische Anwendung im Menschen scheint jedoch noch in weiter Ferne [Kiskinis und Eggan, 2010]. Dass iPS-Behandlungen im zahnmedizinischen Bereich möglich sind, zeigte jüngst die Veröffentlichung eines chinesisch-amerikanischen Forscherteams: Sie stimulierten iPS, die aus Zellen der Vorhaut stammten, mit Schmelzmatrixproteinen und transplantierten sie in experimentell erzeugte parodontale Defekte bei einer Maus. Nach 24 Tagen hatten sich Alveolarknochen, Wurzelzement und Desmodont gebildet [Duan et al., 2010].

Als adulte Stammzellen (AS) werden multipotente oder weniger potente Zellen bezeichnet, die in fast allen Organen des erwachsenen Körpers, selbst im Gehirn, vorkommen. Sie finden sich in sehr geringer Menge in Stammzellnischen, umschriebenen Gewebearealen, in denen sie unter normalen Bedingungen „ruhen“, um erst bei Regenerations- oder Reparaturvorgängen aktiviert zu werden [Jones u. Wagers, 2008]. Eine Diskussion ethischer Aspekte – wie bei der Verwendung von ES – gibt es bei den AS nicht. Eine besondere Art der AS stellen die schon vor Jahrzehnten entdeckten multipotenten, sogenannten mesenchymalen Stammzellen dar, die im Stroma des Knochenmarks (bone marrow stromal cells, BMSCs) sowie in vielen anderen erwachsenen und embryonalen Organen (Fettgewebe, Plazenta und Nabelschnur, innere Organe) vorkommen (Abbildung 5). Sie entwickeln sich in mesenchymale Zelltypen (Bindegewebs-, Knochen-, Knorpel-, Fett-Zellen und mehr). Inzwischen lassen sie sich im Labor auch zu zahlreichen anderen Zellarten differenzieren (wie Muskelzellen, Nervenzellen, Endothel) [Parekkadan und Milwid, 2010]. Nachdem sie früher vor allem durch Knochenmarkspunktionen gewonnen wurden, bietet sich als Quelle heute chirurgisch entferntes Fettgewebe an, das im Rahmen plastischer Operationen massenweise anfällt [Kuhbier et al., 2010]. Die Entnahme körpereigener BMSCs des Patienten, ihre Vermehrung und Differenzierung in vitro und ihre Aufbringung auf Trägermaterialien stellt eine Methode der Stammzelltherapie dar, in die viele Hoffnungen gesetzt werden. BMSCS lassen sich in Kultur einfach und preisgünstig vermehren und haben ein niedriges Entartungsrisiko. Zahlreiche präklinische und klinische Studien beschäftigen sich mit dem Einsatz von BMSCs, wie bei muskuloskelettalen Erkrankungen oder in der Behandlung des Herzinfarkts [Kasten et al., 2010; Perl et al., 2010]. Diese Studien haben andererseits aber auch viele Fragen und Unsicherheiten aufgeworfen, die zum Beispiel die tatsächliche Integration dieser Zellen in den Empfängerorganismus oder ihre dauerhafte Retention betreffen [Ankrum und Karp, 2010]. In der Öffentlichkeit werden auch immer wieder Ängste laut hinsichtlich des Risikos einer malignen Entartung von therapeutisch eingesetzten Stammzellen. Zu dieser Frage ist noch sehr viel Forschung vonnöten. Tatsächlich geht die moderne Tumorstammzellforschung davon aus, dass normale und Krebs-Stammzellen viele Gemeinsamkeiten aufweisen und letztere aus gesunden Stammzellen entstehen können [Bomken et al., 2010; Karlic et al., 2010]. Mehrere Forschungsgruppen untersuchen seit Jahren auch die dentale Anwendung von BMSCs. Ein aktuelles Beispiel ist die Einbringung von BMSCs in Kombination mit plättchenreichem Plasma (PRP) in den Parodontalspalt bei Patienten, was zu einer Verbesserung von Parametern wie Taschentiefe, BOP oder Zahnbeweglichkeit führte [Yamada et al., 2006] . Ein experimentell erzeugter Parodontaldefekt bei einer Ratte regenerierte sich acht Wochen nach Einbringen von BMSCs aus Fettgewebe mit Zugabe von PRP unter Bildung von kollagenen Fasern und Alveolarknochen [Tobita et al., 2008].

Nischen mit AS sind in vielen anatomischen Regionen der Mundhöhle nachgewiesen [Götz, 2008; Krasner und Verlander 2011]. Als besonders ergiebig für die Stammzellgewinnung erweisen sich extrahierte Zähne oder chirurgisch entfernte Zahnkeime unterschiedlicher Entwicklungsstadien (Abbildung 6). Diese Zellen lassen sich durch sogenannte Stammzell-Marker identifizieren (Abbildung 7).

Die Aktivierung von AS ist allerdings ein biologisches Phänomen, das auch als Grundlage von Reparaturvorgängen an Zähnen und in der Mundhöhle anzusehen ist: AS sind auch bei der regenerativen Dentinneubildung, bei der Heilung von Extraktionswunden oder bei der Reparatur von Wurzelresorptionen involviert. Viele zahnärztliche oder kieferchirurgische Maßnahmen, wie Pulpa- oder Parodontalbehandlungen, die Distraktionsosteogenese oder die Osseointegration von Implantaten, laufen ebenfalls über die Aktivierung derartiger Zellen ab. Von daher beruhen wahrscheinlich verschiedene bewährte therapeutische Verfahren in der Zahnheilkunde auf der Rekrutierung körpereigener AS [Tziafas et al, 2010; Lovelace et al., 2011].

Stammzellen aus Pulpa und Parodont

Die erstmalige Isolierung von AS aus Pulpen extrahierter Zähne vor über zehn Jahren markierte den Beginn der modernen dentalen Stammzellforschung. Inzwischen sind verschiedene Arten von Stammzellpopulationen aus der Pulpa beschrieben und werden aus bleibenden Zähnen, Milchzähnen, überzähligen Zähnen und Zahnkeimen isoliert [Sloan und Waddington, 2009]. Die Zellen sitzen in der Wand oder in der Nähe von Blutgefäßen oder unterhalb der Odontoblastenzellschicht, vermehren sich sehr schnell und differenzieren sich nach entsprechender Reizung in vitro vor allem in Odontoblasten, Osteoblasten und Zementoblasten (Abbildung 8). Transplantiert man sie subkutan in Versuchstiere, entwickeln sich kronenähnliche Gebilde aus Dentin und Pulpa [Cordeiro et al., 2008]. Die praktische Nutzung von Pulpastammzellen wäre im Rahmen einer „biologischen Füllungstherapie“ vorstellbar: Aus extrahierten Weisheitszähnen des Patienten isolierte Pulpastammzellen produzieren im Labor patienteneigene Zahnhartgewebe, die dann für Füllungsbehandlungen einsetzbar wären [Saber, 2009]. Tierversuche haben gezeigt, dass sich Pulpastammzellen auf Kalziumhydroxid oder Poly-L-Laktide aufbringen lassen und auf diesen Werkstoffen für diverse regenerative Verfahren in der Pulpenbehandlung brauchbar sind [Huang et al., 2010; Casagrande et al., 2011]. Eine Kariesbehandlung der Zukunft könnte dann so aussehen, dass Dentin-Pulpa-Komplexe, hergestellt im Labor aus patienteneigenen Stammzellen, passgerecht in entsprechend vorbereitete Kavitäten transplantiert werden [Nakashima et al., 2009]. Da Pulpastammzellen auch in Osteoblasten differenziert werden können, liegt ihre Nutzung für augmentative Verfahren am Kieferknochen nahe. Eine italienische Arbeitsgruppe konnte aus Pulpastammzellen extrahierter Weisheitszähne vaskularisierten Knochen generieren, der in einer klinischen Studie denselben Patienten auf Knochenersatzmaterial zur krestalen Augmentation implantiert wurde. Dieses Konstrukt war klinisch und histologisch der Augmentation mit zellfreiem Ersatzmaterial auf der Kontrollseite überlegen [D’Aquino et al., 2009]. Auch zur Besiedlung von Implantatoberflächen sind Pulpastammzellen geeignet [Mangano et al., 2010]. Darüber hinaus scheinen sie „Alleskönner“ zu sein: Im Labor kann man aus ihnen Fettgewebe, Muskulatur, Blutgefäße, Melanozyten, Lebergewebe oder Nervengewebe züchten. Somit wären zukünftige Szenarien vorstellbar, in denen aus Zähnen gewonnene Stammzellen auch zum Einsatz für regenerative Therapien an allen möglichen inneren Organen des Körpers Verwendung finden könnten (Abbildung 9). Tierversuche bei Ratte und Maus untermauern diese Optionen: Bestimmte Pulpastammzellen fördern die Gefäßneubildung bei Durchblutungsstörungen in den Extremitäten und können teilweise untergegangenes Myokard nach Herzinfarkt regenerieren [Gandia et al. 2008; Iohara et al. 2008]. Schließlich wirken sie neuroprotektiv und induzieren im Tierversuch die Regeneration untergegangenen Gehirngewebes, wie nach Schlaganfall [Nakashima et al., 2009; Yalvac et al., 2009]. Der Nachweis einer längeren Kryokonservierbarkeit von Pulpastammzellen hat zur Gründung privater Zahnstammzellbanken nach dem Vorbild von Nabelschnurstammzellbanken in den USA und Europa geführt unter der Option, autologe Zellen für medizinische und dentale regenerative Therapien in der Zukunft einzulagern. Wie für Nabelschnur-Stammzellen steht auch für dentale Stammzellen der Nachweis noch aus, dass sie auch nach langer Einlagerung für routinemäßige Anwendungen anzüchtbar und verwendbar sein werden [Reimann et al., 2009].

Auch innerhalb des PDLs lassen sich Stammzellnischen abgrenzen, ebenfalls in unmittelbarer Nähe zu Blutgefäßen oder in der Nachbarschaft zum Alveolarknochen. Diese Zellen können alle Anteile des Zahnhalteapparats, aber auch extraorale Gewebe bilden [Archarya et al., 2010]. Die Implantation verschiedener dentaler Stammzellen um apikale Defekte bei Parodontitis bei Hunden ergab, dass Stammzellen aus dem PDL die günstigsten regenerativen Effekte hatten: Es bildeten sich nicht nur neues Wurzelzement und Kollagenfasern, sondern auch Knochen, Gefäße und Nerven [Park et al., 2010]. Mithilfe von PDL-Stammzellen lassen sich für die Zukunft verschiedene Konzepte für eine regenerative Parodontaltherapie, auch im Rahmen von minimalinvasiven Strategien, entwickeln [Grimm et al., 2008; Intini et al., 2010]. Die bisher verfügbaren Behandlungsmaßnahmen unter Zuhilfenahme von Membranen, Wachstumsfaktoren oder Knochenersatzmaterialien könnten mit Stammzellbehandlungen kombiniert werden: Stammzellbesiedelte Scaffolds werden passgenau aufgrund bildgebender Daten vom Patienten zum Beispiel mithilfe von CAD-CAM generiert und in entsprechende Defekte implantiert [He et al., 2010]. Versuche an Hunden zeigten, dass polymere Membranen, die wurzelseitig mit PDL-Stammzellen und knochenseitig mit einem Knochenersatzmaterial beschichtet waren, in Drei-Wand-Defekten an Molaren zu einer klinisch und radiologisch messbaren Regeneration unter gleichzeitiger Bildung von Zement, Fasern und Knochen führten [Iwata et al., 2009]. Eine erste Studie an drei Patienten mit insgesamt 16 Zähnen, in der ein ganz ähnliches Vorgehen durchgeführt wurde, zeigte nach 32 bis 72 Monaten ebenfalls ein effektives Ergebnis [Feng et al., 2010]. Ein Schwein war das erste Tier, in dem mithilfe von Stammzellen eine Art Zahnhalteapparat in vivo gebildet werden konnte: Eine Mischung aus menschlichen Pulpa- und PDL-Stammzellen wurde zusammen mit einem Implantatköper aus Hydroxylapatit in eine Extraktionsalveole eingebracht und mit einer Porzellankrone versorgt, mit der das Tier drei Monate kaute. CT- und histologische Untersuchungen ergaben, dass sich ein zahnwurzelähnliches Gebilde mit einstrahlenden PDL-Fasern gebildet hatte [Sonoyama et al., 2006]. Für parodontale Regeneration könnte auch das sogenannte „Stem Cell Homing“ nutzbar gemacht werden, Verfahren, bei denen durch die lokale Applikation von biologisch aktiven Faktoren Stammzellen „angelockt“ und zur Differenzierung gebracht werden. Implantiert man unter Anwendung solcher Verfahren aus Kunststoffen oder Hydroxylapatit mit 3-D-Bioprinting-Verfahren hergestellte Zahnmodelle in Extraktionsalveolen bei Ratten, bildet sich ein vaskularisierter Zahnhalteapparat mit PDL und Alveolarknochen [Kim et al., 2010].

Auf die Stammzellforschung an anderen orofazialen Geweben kann nicht weiter eingegangen werden. Die Forschungsbemühungen konzentrieren sich hier zum Beispiel auf Stammzellen aus Zahnfollikeln (Abbildung 10) [Honda et al., 2010a], auf epitheliale Stammzellen der oralen Mukosa [Igarashi et al., 2008] oder auf Stammzellen aus dem Knorpel und dem Diskus von Kiefergelenken, die eines Tages die Herstellung biologisierter Gelenkprothesen oder ganzer Kondylen ermöglichen sollen [Mao et al., 2006] sowie auf Stammzellen in den Speicheldrüsen [Rotter et al., 2010]. Selbst pathologisch veränderte orofaziale Gewebe enthalten noch funktionstüchtige Stammzellen, wie Isolierungen aus Odontomen oder entzündeter Pulpa und bei Parodontitis zeigten [Song et al., 2009; Along et al., 2010].

Knochenstammzellen

In der Orthopädie und in der Unfallchirurgie wird ein Knochenersatz über eine mesenchymale Stammzelltherapie bei verschiedenen muskuloskelettalen Erkrankungen und Knochenheilungsstörungen schon seit mehreren Jahren klinisch erprobt [Bernstein et al., 2009; Jäger et al., 2010; Kasten et al., 2010]. Viele Details über die osteogene Entwicklung von BMSCs und ihr biologisches Verhalten konnten durch das Studium der Frakturheilung gewonnen werden, bei der es zur Rekrutierung und Aktivierung dieser Stammzellen kommt. Angesichts von Problemen beim Einsatz autogener Knochentransplantate oder von Knochenersatzmaterialen in der Oral- und Kieferchirurgie (Entnahmemorbidität, Mengenprobleme, Resorption) wird der Einsatz von Stammzellen schon als machbare Alternative betrachtet. Neben extraoralen Quellen wie Knochenmark, Fettgewebe, Blut oder sogar Synovialflüssigkeit bieten sich intraorale Entnahmestellen wie das Periost der Kieferknochen oder extrahierte Zähne an [Schneider et al., 2010; Seong et al., 2010; Kagami et al., 2011]. Auch innerhalb der Kieferknochen findet man Knochenstamm- oder Vorläuferzellen (Abbildung 11). Interessanterweise wurden auch entsprechende osteogene Stammzellen in der Schneider’schen Membran, also der Mukosa der Kieferhöhle, gefunden [Gruber et al., 2004]. Die osteogene Differenzierung dieser Stammzellen kann über Wachstumsfaktoren wie die Bone Morphogenetic Proteins (BMPs) oder gentechnologisch erfolgen. In der Literatur sind inzwischen schon zahlreiche Tierversuche sowie einige klinische Fallbeschreibungen veröffentlicht: Im Vordergrund steht dabei das Aufbringen von Zellen auf diverse Scaffolds oder Knochenersatzmaterialien mit oder ohne Einsatz weiterer osteoinduktiver Faktoren. Die Vermischung mit Gel-artigen oder pastösen Trägermaterialien führt zur Bildung eines „injizierbaren Knochens“. Berichtet wird zum Beispiel über die Auffüllung von Extraktionsalveolen und von Defekten unterschiedlicher Genese einschließlich der Anwendung in der Spaltchirurgie, ein Einsatz zur Verbesserung der Distraktionsosteogenese oder bei Augmentationsmaßnahmen, wie zum Beispiel im Rahmen des Sinuslifts [Park, 2010]. Versuche einer italienischen Arbeitsgruppe im Minischwein belegen eine schnellere Osteogenese und Implantat-Osseointegration, wenn man beim Sinuslift im Vergleich zu Knochenersatzmaterial allein BMSCS, Knochenersatzmaterialien und PRP kombiniert [Pieri et al., 2008]. Finnische Kieferchirurgen konnten bei einem Patienten nach Hemimaxillektomie den Knochen rekonstruieren, nachdem aus patienteneigenen Stammzellen des Fettgewebes ektop ein Knochenstück als Transplantat gezüchtet wurde [Mesimäki et al., 2009]. Allerdings fehlen bisher für alle stammzellbasierten Knochenersatzverfahren Langzeitbeobachtungen und randomisierte, kontrollierte Studien. Darüber hinaus müssen sie sich natürlich hinsichtlich ihres Erfolgs und ihres Kostenaufwands an den herkömmlichen Verfahren mit autogenem Knochen beziehungsweise Knochenersatzmaterialien messen lassen. Ein erstes stammzellunterstütztes Verfahren zur Knochenaugmentation wird von der Dentalindustrie bereits angeboten und findet in einigen deutschen Praxen und Kliniken Anwendung. Somit scheint die therapeutische Nutzung von Knochenstammzellen an der Schwelle zur Klinik zu stehen.

Die Regeneration kompletter Zähne

Sind die bisher dargestellten Stammzellmethoden eher geeignet, für regenerative Techniken am noch erhaltenswerten Zahn oder für den Ersatz oder die Bildung von Zahnanteilen wie dem Zahnhalteapparat zum Einsatz zu kommen, bleibt die Frage nach der Züchtung oder der induzierten Neubildung ganzer Zähne, die nach Form und Funktion den Ansprüchen menschlicher Zähne entsprechen und sich dauerhaft in einen Kieferknochen verpflanzen ließen. Mit diesem Ziel verfolgt ein Forschungsansatz schon lange die Rekombination von Anteilen explantierter vorgeburtlicher Zahnkeime, die Stamm- und Vorläuferzellen enthalten, um diese im Reagenzglas als Organkultur weiter zu züchten [Yen u. Sharpe, 2008; Galler u. D’Souza 2011; Yen u. Yelick 2011]. Eine Implantation solcher Zellgemische in Extraktionsalveolen von Versuchstieren auf Scaffolds führt zur Bildung von Zahnkeimen mit relativ weit entwickelter Kronenbildung, Pulpa, Zahnhalteapparat und primitiver Wurzel [Dualibi et al., 2008]. In Kombination mit BMSCs oder anderen Knochenstammzellen können sogar Hybridgebilde aus Zahnkeimen mit umgebendem Kieferknochen erzeugt werden [Zhang et al., 2009]. Ein Problem stellte bisher aber deren Unfähigkeit durchzubrechen dar, geschweige denn die Okklusionsebene der Nachbarzähne zu erreichen. Eine japanische Arbeitsgruppe aus Zahnmedizinern, Kieferchirurgen und Biotechnologen konnte hier aber Ende 2009 einen Durchbruch erzielen: In vitro rekombinierte und gezüchtete Zahnkeime wurden bei Mäusen in die nach Extraktion zahnlose Region des ersten Oberkiefermolaren implantiert. Bei über der Hälfte der Versuchstiere erfolgte eine spontane Eruption und ein Erreichen der Okklusionsebene nach rund 50 Tagen. Histologisch hatten sich einwurzelige Zähne mit vollständig entwickelter Krone, Pulpa, Wurzel und Parodont entwickelt, mit denen das Tier kaute. Außerdem waren Gefäße und sensible Nervenfasern eingesprossen. Die Härtegrade von Schmelz und Dentin entsprachen denjenigen normaler Mäusezähne. Die neuen Zähne ließen sich kieferorthopädisch bewegen und verhielten sich dabei wie normale Kontrollzähne (Abbildung 12) [Ikeda et al., 2009].

Eine andere Vorgehensweise beschäftigt sich mit Transplantationsversuchen. Hier ist das Ziel, während der vorgeburtlichen Entwicklung in der Mundhöhle die Bildung von Zahnkeimen zu induzieren [Yen u. Sharpe, 2008]. Die Aufklärung embryonaler Induktionsvorgänge und ihrer Steuerung durch Signalmoleküle, die zur Zahnbildung führen, ermöglicht quasi eine Nachahmung dieser Vorgänge. Die Implantation sogenannter ektomesenchymaler Zellen der Maus, die während bestimmter Entwicklungsabschnitte das Zahnepithel beeinflussen, in die eigentlich zahnlosen Kieferabschnitte eines Hühnerembryos führten tatsächlich zur Bildung von Zahnkeimen [Mitsiadis et al., 2003].

Schließlich sind es genetische Ansätze, die eine Zahnbildung in vivo ermöglichen sollen. Die Erforschung der Entstehungsursachen von Hypo- und Hyperdontien und anderer angeborener Störungen der Zahnentwicklung hat zur Identifizierung zahlreicher verantwortlicher Verdachtsgene beziehungsweise Gen-Mutationen geführt. Mithilfe genetischer Manipulationen an diesen Genen könnten Bildung und Durchbruch überzähliger Zähne induziert werden. Auch das gesteuerte An- und Abschalten von Genen im Tiermodell kann zur Zahnbildung führen. Mit dieser Methode konnte die Bildung von Zahnkeimen im normalerweise zahnlosen Hühnchen ermöglicht werden [Harris et al., 2006]. Fernziel dieser genetischen Studien ist also die Induktion einer neuen Zahngeneration im Sinne einer „Dritten Dentition“.

Ausblick

Die Realität der dentalen Stammzellforschung im Jahre 2011 stellt sich also so dar, dass zwar die experimentelle Forschung weit fortgeschritten ist, aber die Übertragung in die klinische Anwendung wahrscheinlich noch in weiter Zukunft liegt, vor allem was den Ersatz ganzer Zähne anbelangt [Krasner u. Verlander, 2011]. Experten gehen zur Zeit von Zeiträumen bis zu 30 Jahren aus, bis der „nachwachsende Zahn“ beim Patienten realisierbar sein wird. In der Zahnerhaltung, in der zahnärztlichen Prothetik und in der Implantologie könnte die Stammzellforschung als Ergänzung herkömmlicher, erprobter Behandlungsmethoden zu einer fortschreitenden „Biologisierung“ regenerativer Techniken führen. Für die orale Implantologie könnte dies bedeuten, dass einerseits die Osseointegration von Implantaten aus herkömmlichen Materialien verbessert oder beschleunigt wird, andererseits aber auch die Bildung eines neuen Zahnhalteapparats um einen Implantatkörper durch biomimetische oder zelluläre Beschichtungen ermöglicht werden könnte [Gault et al., 2010; Giannobile, 2010]. Für die Zahnerhaltung und die Prothetik sind Szenarien vorstellbar, bei denen aus stammzellbasiert hergestellten autogenen Zahnhartsubstanzen und herkömmlichen dentalen Werkstoffen Hybridkonstrukte hergestellt werden. Dies könnte auf der Grundlage einer Synthese zwischen Zahntechnik und Biotechnologie im Sinne eines „zahntechnischen Bioengineering“ geschehen. Damit würden sich für die Dentaltechnik neue Berufsfelder eröffnen, bei der der Zahntechniker auch als Bio-Ingenieur fungiert. Auf einem vollkommen anderen Blatt steht allerdings die Frage nach der zukünftigen Finanzierbarkeit dentaler Stammzelltherapien und ihrer gesundheitsökonomischen Bedeutung. Allerdings werden in Zukunft immer mehr Patienten nach dentalen Stammzellen oder Stammzellbanken in der Praxis nachfragen, so dass es notwendig sein wird, das notwendige Wissen zu haben, um hierzu kompetent informieren und beraten zu können.

Inzwischen gibt es in einigen deutschen Zahnkliniken, aber auch in außeruniversitären Forschungseinrichtungen, Arbeitsgruppen, die sich mit dentaler Stammzellforschung und stammzellunterstützter Regeneration beschäftigen. Auf dem letzten Zahnärztetag 2010 in Frankfurt war es gelungen, Vertreter dieser Gruppen anlässlich eines Symposiums über regenerative Techniken, das von der Arbeitsgemeinschaft für Grundlagenforschung (AfG) und dem Arbeitskreis für Regenerative Medizin (TAkRegMed) veranstaltet wurde, zusammenzubringen. Es wurde beschlossen, unter dem Dach der DGZMK eine engere Zusammenarbeit anzustreben und zu versuchen, Informationen zum Thema Stammzellforschung vermehrt in die Zahnärzteschaft hineinzutragen. Für den kommenden Zahnärztetag in Frankfurt im November 2011 ist wieder ein Symposium zum Thema Stammzellen geplant, auf dem die klinisch tätigen Kolleginnen und Kollegen aus erster Hand erfahren sollen, wie es aktuell um „nachwachsende Zähne“ bestellt ist.

Prof. Dr. med. Werner Götz
Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn
Zentrum für Zahn-, Mund- und
Kieferheilkunde
Poliklinik für Kieferorthopädie
Oralbiologische Grundlagenforschung
Welschnonnenstr. 17
53111 Bonn
wgoetz@uni-bonn.de



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