Schon seit Jahrzehnten wird an der Kunstblut-Herstellung geforscht. Nun haben Wissenschaftler einen spektakulären Fortschritt zur Produktion roter Blutkörperchen im Labor erzielen können, durch Aufklärung des Rätsels um die Zellkernabstoßung in deren Vorläuferzellen.
Täglich werden in Deutschland rund 15.000 Blutkonserven benötigt, die bislang in der Regel von freiwilligen Spendern stammen. Da der Bedarf an dem Lebenselixier nicht immer gedeckt werden kann und es vor allem in den Sommermonaten hierzulande regelmäßig zu Engpässen kommt, wird weltweit schon seit Jahrzehnten an der künstlichen Blutproduktion geforscht, wobei jedoch noch längst nicht alle komplexen Schritte der natürlichen Blutproduktion im Labor perfekt nachvollzogen werden können.
Die natürliche Blutproduktion im menschlichen Körper läuft bekanntermaßen im Knochenmark ab. Dort werden Stammzellen zu sogenannten Erythroblasten weiterentwickelt, die als Vorläuferzellen der Erythrozyten, besser bekannt als rote Blutkörperchen, noch über einen Zellkern verfügen, der im finalen Übergang zu den Erythrozyten entsorgt wird. Dafür müssen sich die ursprünglich kugelförmigen Vorläuferzellen oder Erythroblasten erst einmal in die Länge ziehen und ihren vormals zentralen Zellkern einseitig positionieren. Bei der folgenden asymmetrischen Zellteilung kommt es dann zum Verlust des Zellkerns, weil nur die Tochterzelle ohne Zellkern für die Bildung der roten Blutkörperchen gebraucht und die zweite Tochterzelle mit dem Zellkern von Fresszellen beseitigt wird. „Im letzten Schritt der Entwicklung eines Erythroblasten zum Erythrozyten wirft der Erythrozyt seinen Zellkern aus. Das passiert nur bei Säugetieren. Wahrscheinlich, um Platz für den Sauerstofftransport zu schaffen. Und das ist der Punkt, an dem unsere Forschung ansetzt“, sagt Dr. Julia Gutjahr. Sie leitet seit 2023 das Institut für Zelluläre Biologie und Immunologie Thurgau der Universität Konstanz mit einer eigenen Arbeitsgruppe und hat sich auch zuvor schon ab 2019 als Postdoktorandin intensiv mit der Erforschung der Kunstblut-Herstellung beim renommierten experimentellen Pathologen Prof. Antal Rot vom William Harvey Research Institute der Queen Mary University of London beschäftigt. „Die Blutproduktion im menschlichen Körper ist ein hochkomplexer Prozess, der im Knochenmark stattfindet. Erst wenn wir jeden einzelnen Schritt exakt verstehen, können wir diesen Prozess im Labor nachbilden“, sagt Dr. Julia Gutjahr.
Ein hochkomplexer Prozess
Bei der Bildung der roten Blutkörperchen war bislang völlig unbekannt, welche Faktoren im Knochenmark für die Ausstoßung des Zellkerns verantwortlich zeichnen, während im Labor ansonsten die künstliche Reifung einer Stammzelle zum Erythrozyten schon nahezu perfektioniert werden konnte. Genau diesem Trigger für die Zellkernabstoßung ist ein Team der Universität Konstanz unter Federführung von Dr. Julia Gutjahr in Zusammenarbeit mit Kollegen der Queen Mary University of London unter Federführung von Prof. Antal Rot nun durch Experimente mit Mäusen auf die Spur gekommen. Ihre spektakulären Erkenntnisse haben die Forscher jüngst im Fachmagazin „Science Signaling“ veröffentlicht. Wobei die Studie von den Forschungen profitiert hatte, die Dr. Julia Gutjahr schon seit Jahren zum sogenannten Chemokin CXCL12 und seinem Rezeptor CXCR4 durchgeführt hatte, wobei es sich bei Chemokin CXCL12 um einen körpereigenen Botenstoff (Protein) handelt, der unter anderem auch eine Schlüsselrolle bei der Zellbewegung oder bei der Mobilisierung von Stammzellen spielt. „Wir haben herausgefunden, dass das Chemokin CXCL12 diesen Zellkernausstoß triggern kann. Es kommt hauptsächlich im Knochenmark vor, benötigt jedoch das Zusammenspiel verschiedener Faktoren, damit der Ausstoß des Zellkerns stattfindet. Durch die Zugabe von CXCL12 im richtigen Moment konnten wir dann die Ausstoßung des Zellkerns künstlich auslösen“, sagt Dr. Julia Gutjahr. „Wir untersuchen derzeit, wie das CXCL12 exakt eingesetzt werden muss, um die künstliche Produktion humaner Erythrozyten möglichst effizient zu gestalten.“
Laut Prof. Antal Rot ist die Entdeckung nicht nur ein weiterer Meilenstein für die künstliche Blutproduktion, sondern eröffnet darüber hinaus auch noch neue Perspektiven für die Zellbiologie, weil der Botenstoff bei weißen Blutkörperchen und anderen Zelltypen zur Animierung der Zellmigration (zur Ortsveränderung von Zellen innerhalb des Organismus) nur an die Rezeptoren auf der Zelloberfläche anzubinden pflegt. „Bisher wussten wir, dass Chemokine wie CXCL12 in anderen Zellen die Zellmigration steuern, in Erythroblasten wird CXCL12 jedoch ins Zellinnere, sogar bis in den Zellkern, transportiert. Dort beschleunigt es die Reifung und unterstützt die Zelle beim Ausstoß des Zellkerns. Das zeigt, dass Chemokin-Rezeptoren nicht nur an der Zelloberfläche, sondern auch im Zellinneren wirken – eine völlig neue Erkenntnis“, sagt Prof. Antal Rot. Was völlig neue Perspektiven für die Rolle der Chemokin-Rezeptoren in der Zellbiologie eröffnen könne. „Neben ihrem unmittelbaren praktischen Nutzen in der industriellen Herstellung von roten Blutkörperchen haben wir einen völlig neuen zellbiologischen Mechanismus entdeckt, der erklärt, wie Vorläufer roter Blutkörperchen auf Chemokine reagieren“, so Prof. Antal Rot.
Stammzellen als Alternativen
Ohne die neuesten Erkenntnisse über die Beteiligung von CXCL12 führt bislang der effizienteste Weg zur Herstellung von künstlichem Blut über Stammzellen, die in der Regel aus Nabelschnurblut oder aus Stammzellenspenden gewonnen werden. Wobei die dabei erzielte Erfolgsrate der Zellkernausstoßung derzeit bei rund 80 Prozent liegt. „Das ist an sich eine gute Quote. Allerdings sind Stammzellen als Ausgangsquelle nicht unendlich verfügbar“, sagt Dr. Julia Gutjahr. Die Gewinnung von Stammzellen zielt daher noch vor allem auf die Behandlung ganz bestimmter Krankheiten ab. Als Alternative können Stammzellen genutzt werden, die durch Umprogrammierung verschiedenartiger Körperzellen gewonnen werden können und aus denen sich dann ebenfalls rote Blutkörperchen im Labor herstellen lassen. Allerdings handelt es sich dabei um einen deutlich länger andauernden Prozess, und die Erfolgsquote bei der Zellkernausstoßung beträgt lediglich rund 40 Prozent. „Unter Berücksichtigung der neu entdeckten Funktion von CXCL12 ist künftig eine deutliche Steigerung der Erfolgsquote möglich. Die normalen Körperzellen wären zudem eine quasi unendliche Quelle“, sagt Dr. Julia Gutjahr.
Sofern es gelingt, auf diesem Weg die künstliche Blutproduktion Richtung größerer Mengen zu erhöhen, könnten sich laut Dr. Julia Gutjahr vielfältige Anwendungsmöglichkeiten eröffnen: „Auch wenn Körperzellen reichlich zur Verfügung stehen, wird der Herstellungsprozess im Labor aufwendig bleiben. Aber er wird die Möglichkeit bieten, beispielsweise gezielt seltene Blutgruppen herzustellen, Engpässe zu überbrücken oder das eigene Blut zu reproduzieren, um spezielle Behandlungsmöglichkeiten zu ermöglichen“, sagt Dr. Julia Gutjahr. Trotz des wissenschaftlichen Durchbruchs ist der Weg zur breiten Anwendung aber noch lang, die Rolle von CXCL12 muss Dr. Julia Gutjahr zufolge noch weiter entschlüsselt und dessen exakter Einsatz weiter optimiert werden, um die Herstellung von künstlichem Blut effizienter und zugänglicher zu machen. „Wir haben einen wichtigen Schritt gemacht, aber es gibt noch viele offene Fragen“, erklärt Dr. Julia Gutjahr. „Unsere Erkenntnisse zeigen, wie Grundlagenforschung und angewandte Wissenschaft Hand in Hand gehen können, um medizinische Herausforderungen zu lösen.“ Auf jeden Fall könnte die neue Entdeckung künftig dabei helfen, rote Blutkörperchen im großen Maßstab künstlich zu produzieren.