Langerhans-Inseln aus dem Baukasten: Neue Hoffnung für Menschen mit Typ-1-Diabetes?

Unsere Organe erweisen uns tagtäglich einen beeindruckenden Dienst, ohne dass wir überhaupt darüber nachdenken müssten. Unser Körper hat ein eigenes Belüftungssystem, ein Filtersystem für Schadstoffe, ein System, das unseren Energiehaushalt regelt. Aber was, wenn eines dieser vielzähligen Systeme nicht mehr funktioniert? Menschen mit Typ-1-Diabetes müssen eine der Aufgaben der Bauchspeicheldrüse selbst übernehmen – das erfordert viel Zeit und Nerven. Helmholtz Munich Wissenschaftler:innen wie Henrik Semb entwickeln darum künstliche Langerhans Inseln, die den Betroffenen die natürliche Funktion zurückgeben sollen.

Die Autoimmunerkrankung Typ-1-Diabetes kommt an manchen Tagen einem Vollzeit-Job gleich: zugrunde liegt ein Mangel an insulinproduzierenden Betazellen der Bauchspeicheldrüse. Folglich müssen Menschen mit Typ-1-Diabetes die Funktion komplett selbst übernehmen. Um zu überleben, überwachen sie kontinuierlich ihren Blutzucker und führen die richtige Menge an Insulin zu. Das Insulin benötigt der Körper, um die Energie aus der Nahrung in die Körperzellen zu transportieren. Menschen mit Typ-1-Diabetes sind damit anhängig von der externen Insulinzufuhr, entweder über Spritzen oder über eine Insulinpumpe. In schweren Fällen ist die Kontrolle des Blutzuckers per Injektion kaum möglich. Eine Organtransplantation kann notwendig werden: Hierfür werden Betazellen aus der Bauchspeicheldrüse von Organspendern entnommen und in die Leber der Patient:innen eingepflanzt. Organspenden sind auch in diesem Fall rar. Doch was, wenn es einen Weg geben würde, Betazell-Transplantate unbegrenzt im Labor herzustellen?

Langerhans Inseln

Langerhans Inseln bezeichnen eine Gruppe von Zellen in der Bauchspeicheldrüse, die für die Kontrolle des Blutzuckerspiegels verantwortlich sind. Neben weiteren Zelltypen bestehen die Langerhans Inseln vor allem aus den hormonproduzierenden (endokrinen) Alpha- und Betazellen. Während Alpha-Zellen Glukagon herstellen, bilden Beta-Zellen Insulin. Beide steuern den Blutzucker mit entgegengesetzter Wirkung.

Better together: Langerhans-Inseln sind besser als Betazellen allein

Henrik Semb und sein Team möchten funktionsfähige Langerhans-Inseln nachbauen, die neben Insulin auch Glukagon produzieren. Im Körper sind Glukagon und Insulin die beiden wichtigsten Hormone für die Regulation des Energiestoffwechsels. Während Glukagon den Blutzucker steigen lässt, senkt Insulin den Blutzucker. „Wir wissen durch unsere Forschung, dass Interaktionen zwischen den Zellen innerhalb der Langerhans-Inseln sehr wichtig sind für die Feinregulation der Insulinausschüttung. Insbesondere die Kommunikation zwischen den beiden Hauptzelltypen, den Beta-Zellen und den Alpha-Zellen, spielt hierfür eine wichtige Rolle,” erklärt Semb. Im Tiermodell hat sich gezeigt, dass ein Transplantat aus einer Kombination der beiden Zelltypen eine deutlich bessere Kontrolle der Blutzuckerspiegel erzielt, als ein Transplantat das ausschließlich aus Beta-Zellen besteht. Für Menschen mit Typ-1-Diabetes hätte das große Vorteile, denn eine verbesserte langfristige Blutzuckerkontrolle senkt das Risiko für Folgeerkrankungen später im Leben. Eunike Setyono hat große Hoffnung, dass die Forschung von ISLET eines Tages Menschen mit Typ-1-Diabetes hilft und deren Lebensqualität verbessert. Sie arbeitet als Doktorandin in der Arbeitsgruppe von Heiko Lickert, der als Direktor des Helmholtz Munich Instituts für Diabetes- und Regenrationsforschung Teil von ISLET ist.

[Translate to German:] Eunike at the microscope.

„In meinem Promotionsprojekt möchte ich ein Produkt entwickeln, das den menschlichen Langerhans-Inseln möglichst nahe kommt und den Patient:innen dadurch eine verbesserte Funktionalität und Sicherheit bietet,“ sagt Eunike Setyono, Doktorandin am Institut für Diabetes- und Regenerationsforschung.

Ein steiniger Weg bis zum Ziel

Eine stammzellbasierte Ersatztherapie für Menschen mit Typ-1-Diabetes scheint heute so greifbar, wie nie zuvor. Bevor die Wissenschaft Menschen mit Typ-1-Diabetes jedoch eine realistische Hoffnung geben kann, gilt es noch einige Herausforderung zu überwinden. Das größte Problem liegt in der Wurzel der Erkrankung: die Autoimmunität. Selbst wenn Menschen mit Typ-1-Diabetes neue Beta-Zellen erhalten, ist ihr Immunsystem weiterhin auf deren Zerstörung programmiert. „Eine große Frage, mit der sich das Feld aktuell beschäftigt, ist die Hypoimmunität. Können wir die Beta-Zellen gentechnisch so anpassen, dass das Immunsystem sie nicht mehr erkennt?“, dem geht Henrik Semb gemeinsam mit seinem Team und internationalen Partnern nach. Im Moment müssen Patient:innen nach einer Transplantation von Beta-Zellen dauerhaft Medikamente einnehmen, die das Immunsystem unterdrücken. Dies verhindert zwar die Zerstörung der neuen Beta-Zellen, doch verlangt einen hohen Preis: ein dauerhaftes Unterdrücken des Immunsystems erhöht die Anfälligkeit für Infektionskrankheiten sowie das Krebsrisiko. Diesen Preis lohnt es sich nur zu bezahlen, wenn die Patient:innen extreme Schwierigkeiten mit der standardmäßigen Insulintherapie haben. „Der Weg hin zu unserem finalen Produkt ist extrem steinig, die notwendige Forschung ist sehr komplex und kostspielig. Dank der Förderung der EU und der Unterstützung von Helmholtz Munich haben wir in Europa ein sehr gutes Programm für diese Art von Forschung etabliert,” sagt Semb.

Embryonic stem cells colony under a microscope 3D illustration

Pluripotente Stammzellen

Pluripotente Stammzellen sind Zellen, die noch nicht spezialisiert sind und die Fähigkeit haben, sich in verschiedene Zelltypen weiterzuentwickeln. Sie können sich in praktisch jeden Zelltyp entwickeln, den es im Körper gibt. Aus diesem Grund sind sie besonders interessant für Krankheiten, bei denen Gewebe repariert oder ersetzt werden muss. Im Labor können pluripotente Stammzellen aus Embryonen gewonnen werden oder auch aus Hautzellen, die durch ein spezielles Protokoll wieder zurück in pluripotente Vorläuferzellen umprogrammiert werden können. Diese nennt man dann induzierte pluripotente Stammzellen (iPS Zellen). Wird dem Zellkultur Medium jetzt ein bestimmter Cocktail an Wachstumsfaktoren beigesetzt, spezialisieren sich die iPS Zellen zu einem gewünschten Zelltyp.

Nerd Fact: Geschichte der Stammzellforschung

Ein revolutionierendes Ereignis für die regenerative Medizin: 1998 wurden erstmals embryonale Stammzellen aus menschlichem Gewebe isoliert und kultiviert. Gerade einmal 2006 gelang es Forschenden erstmals, vollständig differenzierte menschliche Zellen zu weniger spezialisierten Vorläuferzellen umzuprogrammieren. Dies ermöglichte Forschenden den Zugang zu induzierten pluripotenten Stammzellen, die ähnlich wie humane embryonale Stammzellen verwendet werden können aber kein embryonales Material erfordern. Für diese Forschung wurde 2012 der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin verliehen. Die Fortschritte der letzten drei Jahrzehnte auf dem Gebiet der Stammzellforschung ermöglichen die Entwicklung einer Zellersatztherapie für Typ-1-Diabetes.

Vision für die Zukunft

„Unser Hauptziel ist es, eine Alternative zur aktuellen Betazell-Ersatztherapie bereitzustellen. Damit könnten wir erstmals die eigentliche Ursache von Typ-1-Diabetes behandeln,“ ergänzt Heiko Lickert. Einestages könnten Menschen mit Typ-1-Diabetes durch die stammzellbasierten Transplantate ihren Blutzucker tatsächlich wieder auf ganz natürliche Art und Weise steuern – und das präziser als mit bisher verfügbaren Therapien. Henrik Semb ist zuversichtlich, er möchte bis 2026 die ersten klinischen Studien gestartet haben.