Nach der Verabreichung einer Hochdosis-Chemotherapie zur Behandlung von Krebs ist die Infusion von Stammzellen erforderlich, um die Wiederherstellung der Knochenmarkfunktion und die Produktion von roten und weißen Blutkörperchen sowie von Blutplättchen zu gewährleisten. In der Vergangenheit wurden die Stammzellen aus dem Knochenmark entnommen, aber viele Krebszentren sind in letzter Zeit dazu übergegangen, Stammzellen aus dem peripheren Blut zu gewinnen. Autologe Stammzellen müssen dem Patienten vor der Behandlung mit einer Hochdosis-Chemotherapie entnommen bzw. gewonnen werden. Die entnommenen Stammzellen werden dann eingefroren und können viele Jahre lang gelagert werden. Stammzellen können auch so verarbeitet werden, dass Krebszellen entfernt werden und/oder versucht wird, Immunzellen in der Stammzellsammlung zu aktivieren, um den Krebs zu behandeln.
Die Gewinnung von Stammzellen aus dem Knochenmark wird seit über 30 Jahren sicher durchgeführt. Eine Knochenmarkentnahme ist relativ einfach und findet in der Regel im Operationssaal statt. Bei der Knochenmarkentnahme erhalten die Patienten eine Vollnarkose. Der Chirurg führt dann eine große Nadel direkt in die Knochenmarkhöhle der Knochen des unteren Rückens ein, die zuvor sterilisiert wurde. Durch mehrmaliges Einstechen der Nadel in den Knochen wird das Knochenmark aus dem Knochen abgesaugt (aspiriert). Eine typische Knochenmarkentnahme dauert etwa zwei Stunden und umfasst die Entnahme von einem Liter Knochenmark, das die Stammzellen enthält. Die wichtigste Nebenwirkung dieses Verfahrens sind Beschwerden an der Stelle der Knochenmarkentnahme. Zu den seltenen Komplikationen gehören Blutungen, Infektionen und Nervenschäden.
Die Entnahme von Stammzellen aus dem Blut ist etwas komplizierter als die Entnahme aus dem Knochenmark. Dieses Verfahren wird seit über einem Jahrzehnt sicher durchgeführt. Die Entnahme von Stammzellen aus dem peripheren Blut kann im Vergleich zur Entnahme aus dem Knochenmark auch mehrere klinische Vorteile haben. Der Hauptvorteil der peripheren Blutstammzellen gegenüber dem Knochenmark besteht darin, dass genügend periphere Blutzellen für eine mehrmalige hochdosierte Chemotherapie gewonnen werden können. Dies kann erhebliche Vorteile für die Behandlung verschiedener Blutkrebsarten sowie solider Tumoren wie Brustkrebs haben.
Stammzellen zirkulieren normalerweise in sehr geringen Mengen im Blut und können über einen kleinen Katheter, der in die Vene des Patienten eingeführt wird, aus dem Blut entnommen werden. Die Zahl der zirkulierenden Stammzellen im Blut ist bei Patienten, deren Knochenmark sich von einer Chemotherapie erholt, erhöht. Zytokine (Wachstumsfaktoren für Blutzellen), die den Patienten nach einer myelosuppressiven Chemotherapie verabreicht werden, können die Zahl der im Blut zirkulierenden Stammzellen ebenfalls um das Hundertfache erhöhen. Die Injektion von Zytokinen stimuliert die vermehrte Produktion von unreifen und reifen Stammzellen aus dem Knochenmark und deren Freisetzung ins Blut. Nach der Freisetzung ins Blut können die Stammzellen gesammelt werden. Zytokine können auch ohne Chemotherapie verabreicht werden und bewirken einen erheblichen Anstieg der Zahl der zirkulierenden Blutstammzellen für die Entnahme. Der Prozess der Verabreichung eines Zytokins oder Wachstumsfaktors mit oder ohne myelosuppressive Chemotherapie zum Zweck der Stammzellgewinnung wird als Stammzellmobilisierung bezeichnet. Zwei Zytokine, Neupogen® und Leukine®, regen die Produktion von Stammzellen im Knochenmark an und sind von der Food and Drug Administration zur Verwendung bei Patienten zugelassen, um die Zahl der zirkulierenden Stammzellen zu erhöhen. Mehrere andere Zytokine befinden sich in der Entwicklung.
Bei der Stammzellmobilisierung erhalten die Patienten eine Injektion eines Zytokins und werden täglich untersucht. Die eigentliche Entnahme der Stammzellen aus dem Blut wird als Apherese bezeichnet – sie beginnt, wenn genügend Stammzellen für die Entnahme im Blut zirkulieren. Die Stammzellen werden mit einer Apherese-Maschine aus dem Blut gewonnen, das durch einen Katheter fließt, der in eine Vene eingeführt wird. Das Blut fließt aus der Vene durch den Katheter in die Apherese-Maschine, die die Stammzellen vom restlichen Blut trennt und das Blut dann in den Körper des Patienten zurückführt. Die Apherese wird mehrere Tage lang durchgeführt, bis genügend Stammzellen für die Behandlung mit einer Hochdosis-Chemotherapie gesammelt wurden.
Stammzellen können zuverlässig identifiziert und genau gemessen werden, weil sie einen spezifischen Marker oder eine Markierung auf der Oberfläche der Stammzellen haben. Dieser Marker wird alsCD34 -Antigen bezeichnet. Die Messung der Anzahl der CD34-Antigen-positiven Stammzellen ist wichtig, weil Ärzte anhand der Anzahl der infundierten CD34-positiven Stammzellen genau vorhersagen können, wie schnell sich das Knochenmark nach einer hochdosierten Chemotherapie erholt. Die tägliche Messung des Gehalts an CD34+-Stammzellen im peripheren Blut ist auch nützlich, um die Anzahl der Tage zu bestimmen, an denen eine Apherese durchgeführt werden muss.
Eine optimale Anzahl von Stammzellen zur Unterstützung einer raschen Erholung des Knochenmarks und der Blutzellproduktion nach einer Behandlung mit einer Hochdosis-Chemotherapie liegt bei etwa 5 Millionen CD34+-Zellen/kg Patientengewicht. Die Infusion von mehr als 5 Millionen Zellen/kg führt dazu, dass sich die Produktion von Blutzellen im Knochenmark bei der Mehrzahl der Patienten innerhalb von nur neun bis zehn Tagen erholt. Die minimale Anzahl von Stammzellen, die erforderlich ist, um eine sichere Wiederherstellung der Blutkörperchenproduktion im Knochenmark zu gewährleisten, ist derzeit nicht bekannt. Bei Patienten, denen nicht genügend Stammzellen entnommen werden, kann die Stammzellmobilisierung ein zweites oder drittes Mal durchgeführt werden. In den meisten Fällen verfügen die Patienten über genügend Stammzellen, um eine Transplantation durchzuführen. Wenn periphere Blutstammzellen früh im Krankheitsverlauf entnommen werden, können genügend Stammzellen für mehrere Behandlungszyklen gewonnen werden.
Heutzutage werden praktisch alle autologen Stammzelltransplantationen mit peripheren Blutstammzellen durchgeführt, die nach einer Mobilisierung mit Chemotherapie und Neupogen® oder mit Neupogen® allein gewonnen wurden. Dies liegt daran, dass periphere Blutstammzellen leichter zu gewinnen sind und zu einer schnelleren Wiederherstellung der Blutzellzahl führen.
Eine typische Stammzellsammlung ist unmodifiziert und enthält rote Blutkörperchen, Immunzellen und Stammzellen, wenn sie verarbeitet und gelagert wird. Die Stammzellsammlung kann jedoch mit dem Ziel verändert werden, die Behandlung von Krebs zu verbessern. Ärzte wissen seit vielen Jahren, dass Stammzellensammlungen von einigen Patienten auch Krebszellen enthalten. Viele Ärzte sind der Meinung, dass die Entfernung der Krebszellen aus der Stammzellensammlung die Heilungschancen eines Patienten durch eine hochdosierte Chemotherapie und eine autologe Stammzelltransplantation verbessern könnte. Jede Methode zur Entfernung von Krebszellen aus der Stammzellensammlung setzt voraus, dass genügend Krebszellen entfernt werden, um einen Unterschied zu machen, während andere Zellen, die für die Erholung des Knochenmarks oder des Immunsystems des Patienten wichtig sind, erhalten bleiben.
Purging: Krebszellen können mit verschiedenen Techniken aus dem Knochenmark oder der peripheren Blutstammzellsammlung entfernt werden. Bei jeder dieser Techniken werden monoklonale Antikörper eingesetzt, die Antigene auf den Krebszellen erkennen und daran haften. Sobald der Antikörper an den Krebszellen haftet, gibt es mehrere Möglichkeiten, diese Zellen aus dem Stammzellprodukt zu entfernen. Bei einer solchen wirksamen Technik wird der Antikörper an Mikropartikel mit hoher Dichte gebunden, die das Schwermetall Nickel enthalten. Nachdem die Stammzellen mit den hochdichten Mikropartikeln vermischt wurden, setzen sich die anhaftenden Zellen aufgrund des höheren Gewichts schnell auf dem Boden des Einwegbehälters ab. Sie können dann abgetrennt und entsorgt werden, wobei die Stammzellen erhalten bleiben und die leichtere Fraktion praktisch vollständig von den anvisierten Krebszellen befreit wird.
CD34-Auswahl: Die Entwicklung mechanischer Techniken zur Entfernung von Krebszellen aus Stammzellensammlungen begann in den frühen 1990er Jahren. Mechanische Techniken wurden entwickelt, um nur die Stammzellen aus der Stammzellsammlung zu entfernen oder zu selektieren. Man ging davon aus, dass es einfacher sei, einige wenige Stammzellen zu entfernen, die für eine hochdosierte Chemotherapie erforderlich sind, als zu versuchen, alle Krebszellen in einer Stammzellsammlung abzutöten oder zu entfernen. Sobald die Stammzellen entfernt waren, konnten die verbleibenden Zellen, einschließlich der Krebszellen, entsorgt werden.
Um nur die Stammzellen zu entfernen, mussten die Wissenschaftler zunächst in der Lage sein, die Stammzellen zuverlässig zu identifizieren. Sobald die Stammzellen identifiziert werden konnten, konnten Techniken entwickelt werden, um die Stammzellen von den anderen Zellen in der Stammzellensammlung zu trennen. Die Wissenschaftler entdeckten, dass Stammzellen bestimmte Marker (Antigene) auf ihrer Oberfläche haben, die sie von anderen Zellen unterscheiden. Eines der wichtigsten Antigene auf Stammzellen ist das CD34-Antigen. Die positive Selektion ist eine Technik, die für die Trennung von Stammzellen von anderen Zellen entwickelt wurde. Bei dieser Methode wird ein Gerät verwendet, das die CD34-positiven Stammzellen bindet und sie von den anderen Zellen in der Stammzellensammlung trennt. CD34-positive Selektionsvorrichtungen wurden in klinischen Studien untersucht. Obwohl CD34-Selektionsgeräte in der Lage sind, eine große Anzahl von Krebszellen aus dem Stammzellenprodukt zu entfernen, entfernen sie auch viele Stammzellen und Immunzellen.
In den letzten zwei Jahrzehnten haben viele Ärzte an Möglichkeiten gearbeitet, kleine Mengen von Knochenmark in einem Kultursystem außerhalb des Körpers wachsen zu lassen. Wenn kleine Mengen von Stammzellen in einem Kultursystem so expandiert werden könnten, wie sie im Körper vorhanden sind, könnten die Komplikationen bei der Entnahme von Stammzellen aus Knochenmark oder Blut vermieden werden. Im Laufe der Jahre haben die Ärzte die Hormone entdeckt, die die Stammzellen dazu bringen, sich zu teilen und zu vermehren. Sie können diese Hormone nun in ein steriles Kultursystem außerhalb des Körpers einbringen. Dieses Kultursystem hat den zusätzlichen Vorteil, dass es das Wachstum der Krebszellen nicht unterstützt. So könnte man eine kleine Anzahl von Stammzellen nehmen, die Krebszellen enthielten, diese Zellen in ein Kultursystem mit den entsprechenden Hormonen geben und eine beträchtliche Anzahl von Stammzellen produzieren, die keinen Krebs enthalten und für eine Transplantation geeignet sind.
Ärzte an drei medizinischen Zentren in den USA haben in der Zeitschrift Blood über die ersten autologen Transplantationen mit expandierten Stammzellen berichtet. Unter örtlicher Betäubung entnahmen sie 19 Patientinnen mit Brustkrebs kleine Knochenmarksproben und legten diese Zellen für 12 Tage in ein Expansionssystem. Diese 19 Patientinnen erhielten eine Hochdosis-Chemotherapie mit Cyclophosphamid, Paraplatin® und Thioplex® und anschließend die Infusion der expandierten Zellen. Die durchschnittliche Zeit bis zur Wiederherstellung des Blutbildes war ähnlich wie bei der Knochenmarkinfusion, aber langsamer als bei der autologen Infusion von peripheren Blutstammzellen. Bei dieser Technik werden jedoch reifere und funktionstüchtigere weiße Blutkörperchen infundiert, was für den Patienten in der ersten Woche nach der Transplantation von zusätzlichem Nutzen sein kann, um Infektionen zu verhindern. Ein Patient hatte vor der Behandlung Krebszellen im Knochenmark, aber in den expandierten Stammzellen, die nach der Hochdosis-Chemotherapie infundiert wurden, konnten keine Krebszellen nachgewiesen werden.
Dieser klinische Versuch zeigt deutlich das Potenzial der Verwendung expandierter Knochenmarkstammzellen für die autologe Transplantation. Derzeit ist nicht klar, wer von dieser Technik bevorzugt profitieren würde und wer besser mit einer Blutstammzelltransplantation bedient wäre. Es wäre eine wertvolle Technik, wenn sie erfolgreich bei Patienten durchgeführt werden könnte, deren Knochenmark durch Chemo- oder Strahlentherapie geschädigt wurde und die nicht genügend Stammzellen für eine autologe Transplantation haben. Patienten mit Krebs im Knochenmark würden davon profitieren, wenn die Krebszellen durch die Kulturtechnik konsequent eliminiert werden könnten. Diese Technik kann auch zur Expansion von Nabelschnurblut verwendet werden, wenn die Anzahl der aus dieser Quelle gewonnenen Stammzellen für eine allogene Transplantation bei Erwachsenen nicht ausreicht. Somit könnte diese klinische Studie eine sehr wichtige Entwicklung auf dem Gebiet der Transplantation und erst der Anfang der Forschung in diesem Bereich sein.