Übersichten Urologe 2013 · 52:1671–1678 DOI 10.1007/s00120-013-3328-9 Online publiziert: 30. Oktober 2013 © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013

Redaktion H. Rübben, Essen

Hintergrund Für eine Reihe von verschiedenen Funk­ tionsstörungen und Schädigungen des unteren Harntrakts gibt es nach wie vor keine etablierte funktionelle regenerative Therapiemöglichkeit. Von Blasenentleer­ ungsstörungen [z. B. Belastungsinkonti­ nenz (BI) und Syndrom der überaktiven Blase („over active bladder“, OAB)] sind weltweit Millionen Frauen und Män­ ner betroffen [1]. Auch eine erektile Dys­ funktion (ED) vermindert für eine Viel­ zahl von Männern die Lebensqualität – und daraus resultierende Beziehungs­ probleme. Auslöser können sowohl aku­ te Ereignisse, wie die Folge eines operati­ ven Eingriffs, oder auch chronische Ursa­ chen, z. B. (die Entwicklung von) Diabetes mellitus oder Adipositas sein [2, 3]. The­ rapien, die diesen pathophysiologischen Mechanismen entgegenwirken und so eine weitere Progression des Krankheits­ bildes verlangsamen oder gar eine Funk­ tionswiederherstellung ermöglichen, sind derzeit nur sehr eingeschränkt oder noch nicht verfügbar. Die Verwendung von Stammzellen als zelltherapeutisches Werkzeug könn­ te ­diese Lücke von der personifizierten individualisierten Medizin (und biome­ dizinischer Anwendung) schließen. Die Hoffnung geht hierbei auf eine Reihe von Charakteristiken von mesenchyma­ len, aber auch anderen Stammzellen zu­ rück, die Entzündungen hemmen, einer Fibrose vorbeugen, eine Angiogenese för­ dern und ggf. durch induzierte Differen­ zierung geschädigte Zellen und Gewe­ beareale ersetzen können [4–6]. Insbe­

M. Vaegler · B. Amend · W. Aicher · A. Stenzl · K.-D. Sievert Klinik für Urologie, Universitätsklinik Tübingen, Eberhard-Karls-Universität Tübingen

Stammzelltherapie und „Tissue Engineering“ in der regenerativen Urologie sondere die Effekte adulter multipoten­ ter mesenchymaler Stammzellen (MSC) sind durch verschiedene Fallstudien und vorklinischen Studien in vivo bereits be­ legt. Inzwischen stehen Stammzellen auch bei urologischen Indikationen im Fokus, die sich bislang hauptsächlich auf die Exvivo-Konstruktion von Blasenwand und Urothelgeweben aus autologen Zellen oder der Entwicklung von entsprechen­ den Trägerstrukturen und Wirksubstan­ zen konzentrierte [7–9]. Darüber hinaus finden sich Publikationen, die sich mit der Freisetzung von bioaktiven Faktoren und der Gewebemigration von Stamm­ zellen auseinandersetzten [10]. In abseh­ barer Zukunft könnte ein bioartifiziel­ les Zellpräparat, das entweder i. v. appli­ ziert oder durch Besiedelung geeigneter ­Matrices implantiert wird, den Klinikern die Möglichkeit bieten, verschiedene Stö­ rungen zuverlässig, dauerhaft und funk­ tionell zu therapieren. Der Forschungs- und Entwicklungs­ bedarf für das Erreichen dieses ambitio­ nierten Ziels ist zurzeit zwar noch im­ mens, kann bis dato aber bereits maßgeb­ liche Fortschritte aufweisen, die hier zu­ sammengefasst dargestellt werden sollen.

Charakteristik von Stammzellen Für die Etablierung einer potenziellen Stammzelltherapie stehen allgemein em­ bryonale Stammzellen (ESC), adulte mul­ tipotente Stammzellen und induzierte pluripotente Stammzellen (iPSC) im Fo­ kus, von denen letztlich nur die MSC den ethischen Bedenken, der limitierten Ver­ fügbarkeit der Zellen, dem tumorauslö­

senden Potenzial sowie den Abstoßungs­ mechanismen des Immunsystems bei den anderen Stammzellpopulationen nahezu unberührt gegenübersteht [11, 12]. Hin­ sichtlich ihrer Quelle, Kultivierung, Inter­ aktion mit anderen Zellen und Gewebe, Produktion und Freisetzung von bioak­ tiven Faktoren sowie dem breit angeleg­ ten Differenzierungsverhalten erwartet man auch für die Behandlung von Mik­ tionsstörung und ED entsprechende Er­ folge [13]. Die Vielseitigkeit der mögli­ chen Anwendung von MSC kommt auch durch die zahlreichen vorklinischen Tier­ modelle, einigen klinischen Studien und Berichten aus aktuell stattfindenden Pro­ jekten zum Ausdruck. Erstmals wurden 1968 MSC aus Kno­ chenmark (BMSC, „bone marrow-derived­ stem cells“) isoliert und beschrieben und mit den Jahren weiter charakterisiert [14, 15]. Sie weisen dort eine Frequenz von 1/10.000 bis 1/100.000 aller kernhaltiger Zellen auf [16, 17]. Inzwischen konnten MSC auch aus einer Vielzahl unterschied­ licher Gewebe isoliert werden. Neben fe­ talem Gewebe wurden MSC auch in der Plazenta, Nabelschnurblut, Fruchtwasser, Synovialflüssigkeit, Urin, in Haar- und Zahnfollikeln oder auch in Muskel- und Fettgewebe gefunden worden [18–27]. Die aus Fett isolierten MSC (ADSC, „adipose-derived stem cells“) stellen eine adäquate Alternative gegenüber Knochen­mark und anderen bekannten Geweben dar, da hier aufgrund der aus­ reichend vorhandenen Gewebequelle und seiner Vaskularisierung große Zellmen­ gen isoliert werden können [28]. Unge­ achtet ihrer Herkunft ist mit allen MSCDer Urologe 12 · 2013 

| 1671

Übersichten Populationen eine entsprechende Gewe­ bespezifität verbunden, die sich in unter­ schiedlichen Anforderungen bei der Invitro-Differenzierung in verschiedene Zelltypen und dem vorhandenen Expres­ sionsprofil der MSC niederschlägt [29– 31]. So ist das Differenzierungspotenzial, das per Definition adipogen, osteogen und chondrogen ist, nicht nur von Spen­ deralter und der Anzahl der Doppelungs­ raten in vitro abhängig, sondern es wurde auch eine hierarchische Folge, in der sich die drei Differenzierungen ex vivo indu­ zieren lassen, festgestellt [32]. Zusätzlich ist bekannt, dass bestimmte Subpopula­ tionen von MSC, die anhand ihrer Ober­ flächenexpression unterschieden werden, eine Tendenz für eine oder mehrere Dif­ ferenzierungsmöglichkeiten aufweisen. So zeichnen sich beispielsweise CD146+MSC aus dem Knochenmark durch ein osteogenes Differenzierungspotential aus, während CD146−-MSC sich nur chondro­ gen und adipogen differenzieren können [33]. Diese Variationen in den einzelnen MSC-Populationen, die sich auch auf die Sekretion MSC-spezifischer bioaktiver Faktoren auswirken könnte, sind bei der Planung, Ergebnisanalyse und Bewertung aller Experimente mit MSC vor dem Hin­ tergrund zu berücksichtigen, dass eine bestimmte MSC-Subpopulation für die Behandlung einer einzelnen Funktions­ störung besser geeignet sein könnten als eine andere. Experimentelle Ansätze zur Stamm­ zelltherapie auf dem Gebiet der Urologie fokussierten sich bislang vorwiegend auf die induzierte Differenzierung in Mus­ kelzellen zur Regeneration des urethralen Sphinkters oder in Urothelgewebe für eine erfolgreiche Harnblasen- oder Urethrare­ konstruktion [34]. So wurden beispiels­ weise die Anreicherung von mit 5-Aza­ cytidin induzierten, myogen vordifferen­ zierten MSC vor Transplantation oder die Differenzierung von MSC in urothelähn­ liche Zellen unter geeigneten Kulturbe­ dingungen untersucht [4, 34–36]. Die Differenzierung von MSC wird als ein grundlegend wichtiger Schritt für den Erfolg des „Tissue Engineering“ bei der Rekonstruktion von urologischen Defek­ ten angesehen. Dem gegenüber steht die Differenzierung der Stammzellen in die entsprechenden Zellen des Wirtsgewe­

1672 | 

Der Urologe 12 · 2013

bes, in das sie direkt eingebracht werden [37–39]. MSC zeichnen sich grundsätzlich da­ durch aus, nur eine schwache oder in der Regel keine Immunantwort hervorru­ fen, wenn sie transplantiert worden sind [40]. Zudem ist bekannt, dass sie in vit­ ro die Proliferation von T-Zellen unter­ drücken können [41]. Diese Eigenschaf­ ten machen MSC besonders attraktiv für eine humane Anwendung mit allogenem Transplantations­ansatz. In der klinischen Praxis werden bei der Transplantation von allogenen, hämatopoetischen Stammzel­ len häufig MSC kotransplantiert, um Im­ munantworten zu unterbinden. Die Transplantation von MSC kann systemisch oder lokal erfolgen. Die syste­ mische Verabreichung bietet sich im Rah­ men einer Akutbehandlung an und die lo­ kale Applikation zur Therapierung eines chronischen Schadens. In beiden Fällen wird davon ausgegangen, dass sekretori­ sche Zytokine von geschädigten Geweben oder Zellen die Migration von MSC ent­ lang des Gradienten in die Zielareale ver­ ursachen [10, 42, 43]. Vor dem urologi­ schen Hintergrund konnte im BI-Tiermo­ dell festgestellt werden, dass in der Ureth­ ra und Vagina erhöhte Zytokinlevel vor­ lagen, die den Migrationseffekt auf syste­ misch applizierte Stammzellen auslösten [42, 44]. Im klinischen Fall einer lokalen, intra­ kavernosalen Injektion von MSC aus Na­ belschnurblut (uCBSC, „umbilical cord blood stem cells“) zur Therapie einer durch Diabetes mellitus bedingten ED wurde gezeigt, dass u. a. auch der Blutzu­ ckerspiegel gesenkt werden konnte [45]. Neben der Sekretion löslicher Faktoren der geschädigten Zellen, die als Attrakto­ ren auf transplantierte MSC wirkten, er­ folgen auch parakrine und autokrine Ef­ fekte der applizierten Stammzellen. MSC aktivieren und locken durch eigene Che­ mokine und Zytokine endogene Stammund Vorläuferzellen in das verletzte Ge­ webe [46]. Gleichzeitig wurde festgestellt, dass die funktionellen und histologischen Verbesserungen lediglich auf eine un­ proportional niedrige Anzahl der zuvor transplantierten Zellen zurückzuführen waren [47]. Die betrachteten präklinischen und klinischen Untersuchungen verdeutli­

chen, dass sowohl systemisch als auch lo­ kal transplantierte MSC mit ihren bioak­ tiven Faktoren entscheidenden Einfluss auf eine erfolgreiche Funktionsregenera­ tion nehmen.

Therapien bei Dysfunktionen Tierexperimentelle Studien belegen die Sicherheit, Verträglichkeit und Wirk­ samkeit eingesetzter Stammzellen zur der Therapie von Dysfunktionen und Defekten des unteren Harntrakts. Lo­ kale Injektionen von BMSC, ADSC und MDSC („muscle-derived stem cells“) of­ fenbarten ihr therapeutisches Potenzial bei muskulären oder nervalen Verlet­ zungen des externen urethralen Sphink­ ters (EUS) mit entsprechenden anatomi­ schen und funktionellen Verbesserun­ gen [47–49]. Jüngst wurde im Ratten­ model der Zusammenhang zwischen der Differenzierung der injizierten BMSC, der Hochregulation von glattmuskulä­ rem Antigen („smooth muscle antigen“, SMA) und der Desminexpression zur BITherapie belegt [50]. Zur Effektverstär­ kung der BMSC wurde in nachfolgen­ den Versuchen die Applikation­ gemein­ sam mit PLGA ­(„poly l­actic-co-­glycolic acid“), NGF („nerve­growth ­factor“) oder BDNF („brain-derived­ neurotrophic fac­ tor“) durchgeführt, die in einer signifi­ kanten Zunahme der Muskelmasse und Neuronendichte mit entsprechender Ver­ besserung des LPP („leak point pressure“) resultierte [51]. In einer derzeit laufenden Versuchs­ reihe des Labors für Tissue Engineering der Klinik für Urologie Tübingen (im Rahmen der Klinischen Forschergrup­ pe KFO 273) zur zellbasierten Regenera­ tion des Harnröhrensphinkters im Mini­ pigmodell werden expandierte, undiffe­ renzierte MSC aus Knochenmark, Fettge­ webe und Plazenta zystoskopisch in den Rhabdosphinkter injiziert, um eine funk­ tionelle Regeneration des Kontinenzappa­ rats zu erreichen. Die vergleichenden his­ tologischen und funktionellen Analysen sollen Aufschluss zum Differenzierungsund Regenerationspotenzial von verschie­ denen MSC-Populationen vor dem klini­ schen Einsatz geben. In einer klinischen Studie, bei der au­ tologe MDSC in den urethralen Sphink­

Zusammenfassung · Abstract ter von 8 Frauen injiziert wurden, wurde bei 5 Patientinnen neben der gezeigten Si­ cherheit und Machbarkeit eine Verbesse­ rung der Symptome nach einem Jahr er­ reicht [52]. In der Folge konnten in größer angelegten, verblindeten und multizentri­ schen Studien auch die Verringerung der Inkontinenzrate und Verbesserung der Lebensqualität festgestellt und Aussagen zur notwendigen Dosis der Stammzellen getroffen werden [53, 54]. Auch bei anderen Formen der Blasen­ entleerungsstörung konnten in präklini­ schen Studien zur Stammzelltherapie Er­ folge erzielt werden. Durch die Injektion von BMSC in die Blasenwand bei Ratten, die zuvor eine BOO („bladder outlet obst­ ruction“) hatten, konnte die Kontraktilität der Blase wiederhergestellt werden. Zu­ sätzlich wurde die Differenzierung der ap­ plizierten BMSC in glattmuskuläres Ge­ webe beobachten [55]. Ferner wurde bei der lokalen Applikation von ADSC in hy­ perlipidämischen Ratten mit OAB nicht nur eine verbesserte Blasenfunktion, son­ dern auch eine verstärkte Angiogenese und Innervation gezeigt, wobei überra­ schenderweise nur wenige ADSC in Mus­ kelzellen differenzierten [5]. Hierbei werden zwei Kernpunkte des „Tissue Engineering“ offensichtlich: A) Einschätzung der vaskulären und nerva­ len Versorgung des zu regenerierenden Gewebes. B) Beeinflussung und Einfluss der Sekretion von bioaktiven Faktoren von MSC, wenn nur eine geringe Anzahl der applizierten Zellen im verletzten Ge­ webe myogen differenzieren. Aus der De­ batte um den letztgenannten Punkt her­ aus leiten die Autoren ein wichtiges Ar­ gument dafür ab, in den aktuell durchge­ führten In-vivo-Modellen zur Stammzell­ therapie undifferenzierte MSC einzuset­ zen, um aus den Ergebnissen weitere Auf­ schlüsse hinsichtlich dieser Frage zu er­ langen. Vergleichbares lässt sich anhand ver­ schiedener Studien zur Behandlung von ED im Tier und Menschen belegen. Bei 7 Patienten mit Typ-2-diabetischer ED konnte mittels intrakavernöser uCBSCInjektion zumindest ein kurzzeitiger Ef­ fekt hinsichtlich der Senkung des Gluko­ sespiegels erzielt werden [45]. Bemerkens­ wert sind auch die Ergebnisse des Ver­ gleiches nach i. v.-Injektion ADSC und

Urologe 2013 · 52:1671–1678  DOI 10.1007/s00120-013-3328-9 © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013 M. Vaegler · B. Amend · W. Aicher · A. Stenzl · K.-D. Sievert

Stammzelltherapie und „Tissue Engineering“ in der regenerativen Urologie Zusammenfassung Hintergrund.  Bisher gibt es für den unteren Harntrakt keine klinisch etablierte, funktionelle Therapiemöglichkeit mittels „Tissue Engineering“. Aus der Dichte experimenteller Daten, initialen klinischen Studien und Einzelfallberichten zeichnet sich immer deutlicher ab, dass in Zukunft die Verwendung von Stammzellen die Lücke bei der Behandlung von Blasenspeicher und -entleerungsstörungen, erektiler Dysfunktion und morphologischen urothelialen Defekten des unteren Harntraktes mittels dieser individualisierten Therapie und biomedizinischer Anwendungsmöglichkeit schließen könnte. Ergebnisse.  Als Resultat der umfangreichen Forschungsarbeit in den letzten Jahren stehen die Charakterisierung verschiedener Stammzellpopulationen und die Evaluation unterschiedlicher, urologischer Therapieoptionen. Dabei wurden Aspekte der optimalen Applikation, der Migration, der Sekretion spezifischer Faktoren und des Grades der Entdif-

ferenzierung dieser Stammzellen hinsichtlich einer höheren, therapeutischen Effektivität untersucht. Besonderes Augenmerk lag zudem auf Angiogenese und Innervation, von denen eine erfolgreiche funktionelle Geweberegeneration letztlich abhängig ist. Schlussfolgerung.  Verschiedene klinische Indikationen zur Stammzelltherapie und Geweberekonstruktion bahnen sich an und werden gegenwärtig in präklinischen und klinischen Phase-I-Studien geprüft. Diese fokussieren auf die Behandlung der Belastungsinkontinenz, Harnröhrenrekonstruktion und Vermeidung der erektilen Dysfunktion als mögliche Folge von onkologischer Beckenchirurgie. Schlüsselwörter Harntrakt, unterer · Stammzellpopulationen · Geweberekonstruktion · Belastungsinkontinenz · Erektile Dysfunktion

Stem cell therapy and tissue engineering in regenerative urology Abstract Background.  So far there is no clinically established, effective tissue engineering therapy for dysfunction or defects of the lower urinary tract. The concentration of experimental data, initial clinical studies and individual case reports underlines that stem cell treatment for bladder storage and voiding problems, erectile dysfunction and other urothelial defects of the lower urinary tract could close the gap between individualized therapy and potential biomedical applications. Results.  As a result of fundamental research work over the last decade a characterization of various stem cell populations and evaluation of different urological therapy options could be performed. Thereby, aspects of optimal administration, migration, secretion of bioactive factors and stage of differentiation of stem cells with respect to an im-

ADSC-Lysat bei Ratten, wobei sich bereits nach 4 Wochen die Funktion und Histo­ logie signifikant verbesserten, es zeigte sich jedoch kein Vorteil für eine der bei­ den Gruppen (ADSC vs. ADSC-Zelllysat) [56]. Folglich sind die löslichen Faktoren der ADSC intakt und wirkaktiv im Lysat vorhanden.

proved efficiency of treatment were investigated. Because successful tissue regeneration depends on angiogenesis and innervation, particular attention was paid to these important factors. Conclusions.  Various clinical indications for stem cell treatment and tissue reconstruction that may be required after radical prostatectomy, such as stress urinary incontinence, urethral reconstruction and erectile dysfunction have materialized and are currently being verified in preclinical studies and phase I trials. Keywords Urinary tract, lower · Stem cell populations · Tissue reconstruction · Stress urinary incontinence · Erectile dysfunction

Möglichkeiten des „Tissue Engineering“ Die Entwicklungen des „Tissue Engineer­ ing“ in der Urologie konzentrierten sich vorrangig auf die Konstruktion von Harn­ blasen und der Augmentation oder dem Ersatz/der Rekonstruktion der Urethra bei Der Urologe 12 · 2013 

| 1673

Übersichten Strikturen. Hinzu kommen Strategien, die die Verwendung von Scaffolds oder Mat­ rices verfolgen und die Besiedelung durch Zellen, die denen des geplanten Zielgewe­ bes möglichst ähnlich sind. Die Besiede­ lung von Scaffolds scheint gegenüber der Anwendung unbesiedelter Strukturen den Vorteil zu haben, besser in das Zielgewebe integriert zu werden und das umliegende Gewebe weniger zu beeinflussen [57, 58]. Grundlegende Anforderungen an geeig­ nete Scaffolds sind dabei a) die Unterstüt­ zung von Adhärenz und b) Proliferation der eingesetzten Zellen, c) die Biokom­ patibilität der Struktur und d) durch den Einsatzzweck vorgegebene mechanische und physikalische Eigenschaften, die zu­ sammen die Funktionsregeneration des Zielgewebes ermöglichen sollen [57]. Versuche mit matrixfreien Zell- und Gewebekonstrukten fokussierten sich auf Urothelzellen und glatten Muskelzel­ len. Aus Urothelzellen, die beispielsweise aus Blasenspülungen gewonnen wurden, entstanden mehrschichtige bioartifizielle Urothelien, die zur Rekonstruktion von Harnröhrenstrikturen im Minipigmodell verwendet wurden [59, 60]. Neuste­ Er­ kenntnisse aus Untersuchungen der eige­ nen Arbeitsgruppe zeigten eine zusätzli­ che Verbesserung bei der chirurgischen Manipulation und Implantation des Urot­ helersatzgewebes auf einer Kollagenmat­ rix [61]. Die deutlich erhöhte Stabilität­ des Urothels konnte sowohl im Kleinund Großtiermodell als auch vor autolo­ gem und xenogenem Transplantations­ hintergrund ohne negative Beeinflus­ sung der Gewebeintegrität oder Immun­ reaktionen demonstriert werden (unver­ öffentlichte Daten). Im Zusammenhang mit der vorliegenden Herstellungserlaub­ nis für bioartifizielle autologe Urothel­ transplantate an der Klinik für Urologie Tübingen, die nach Definition des Deut­ schen Arzneimittelgesetzes (AMG) dieses zelluläre Transplantat als neuartige Thera­ pie (ATMP, „advanced medicinal therapy products“) für die klinische Anwendung zugelassen hat, ist auch der klinische Ein­ satz des matrixunterstützten Urothels ab­ sehbar. Die Kombination verschiedener ex­ pandierter Zellen mit verschiedenen Ma­ trices eröffnet für die Konstruktion von Blasen- und Harnröhrengewebe vielfäl­

1676 | 

Der Urologe 12 · 2013

tige Möglichkeiten. Dennoch bleibt die Antwort auf den optimalen Gerüstaufbau der Matrices/Scaffolds im „Tissue Engi­ neering“ [z. B. SIS („small intestine sub­ mucosa“), azellularisierte Kollagenmat­ rices, tubularisierte PGA- („polyglycolic acid“) und PLLA- („poly L-lactic acid“-) Scaffolds oder entsprechende Komposi­ tes) offen. Zusätzlich muss der Einsatz von auto­ logen Zellen aus Biopsien von kranken, geschwächten oder onkologisch belaste­ ten Blasengeweben in klinischer Hinsicht aufgrund der übertragbaren Risiken kri­ tisch hinterfragt werden [7, 62, 63]. Auch hier könnten sich allogene oder autologe Stammzellen anderer Organe als geeigne­ ter erweisen. Trotz dieser Einschränkungen konn­ te gezeigt werden, dass MSC-besiedel­ tes SIS bei Ratten die Reorganisation des Urothels bewirkt und darüber hinaus im Affen nach Harnblasenaugmentation die Ausbildung der typischen Blasengewe­ bearchitektur bewirkte [8, 64]. Ähnliche Ergebnisse publizierten De Filippo et al. [66] für die Harnröhre. In dieser Tierstu­ die mit besiedelten, azellulär tubularisier­ ten Kollagenscaffolds zur Rekonstruktion der Urethra fand sich abschließend ein normales histologisches Aussehen. Kürz­ lich wurden in einer ersten klinischen Stu­ die bei 5 Jungen mit posteriorem Ureth­ radefekt autolog besiedelte Kollagen- und PGA-Scaffolds erfolgreich eingesetzt. In der Nachuntersuchung (im Mittel 71 Mo­ nate nach der Operation) waren alle Pa­ tienten kontinent und konnten ohne Schwierigkeiten miktionieren. Die Funk­ tionalität ihrer Harnröhren wurde mittels Uroflowmetrie, Zystourethrogramm und via Zystoskopie evaluiert. Neben den aufgezeigten Studien zur Organkonstruktion und Regeneration von Blasen- und Harnröhrendefekten mit festen, teilweise formbaren oder star­ ren Gerüsten bietet das „Tissue Enginee­ ring“ auch die Möglichkeit der Verwen­ dung einer injizierbaren Wachstumsma­ trix, die aus einer Lösung mehrerer bio­ logischer Komponenten besteht und auch in situ formbar bleibt. Gegenwärtig wird die Einsatzfähigkeit eines resorbierbaren Hydrogels auf seine Effektivität zur Ner­ venregeneration zur Vermeidung von BI oder ED während der Prostatektomie

untersucht. Therapieziel ist die anatomi­ sche „Stützung“ und Regeneration des fei­ nen Nervengeflechts, das der Prostata auf­ gelegen hatte. Gleichzeitig wird die Effek­ tivität von selektiven Zytostatika oder se­ kretorisch wirkenden Stammzellen, die in das Hydrogel integriert werden kön­ nen, geprüft [67].

Fazit für die Praxis Die vielen präklinischen Daten und die ersten klinischen Studien veranschaulichen, dass der Einsatz von Stammzellen auf unterschiedliche Weise immenses Potenzial bei der Behandlung von Blasenspeicher und -entleerungsstörungen, ED und anderen urothelialen Defekten des unteren Harntraktes besitzt. Allerdings scheinen die gegenwärtigen Erkenntnisse zurzeit noch nicht für die Integration in die klinische Praxis auszureichen, sodass weiterer Forschungsbedarf auf dem Gebiet des urologischen „Tissue Engineering“ besteht. Zudem sind die bislang beobachteten Wirkmechanismen der applizierten Stammzellpopulationen und generierten Zell-Matrix-­Konstrukte keineswegs vollständig verstanden. Die unterschiedlichen Arbeiten erweitern das Wissen über Gewebegewinnung, Zelltransplantation, Migration, Differenzierung und Sekretion von bioaktiven Faktoren der eingesetzten Zellen, dennoch wurden auch neue Fragen aufgeworfen, die noch nicht komplett beantwortet worden sind. Die Nutzung von allogenen Stammzellen, der Gebrauch von gentechnisch modifizierten Stammzellen (z. B. iPSC), die Verkürzung der Zeit zwischen Gewebeschädigung und Therapie (akut vs. chronisch) bzw. die Applikation undifferenzierter Stammzellen – sei es lokal oder auch systemisch – sind Konzepte, die aus den erlangten Erkenntnissen resultieren. Die Kombination aus verschiedenen aktuellen Techniken des „Tissue Engineering“, operativen Prozessen aus klinischen Routineeingriffen oder Entwicklungen aus der Materialwissenschaft zeichnen weitere experimentelle Einsatzmöglichkeiten vor. Andererseits wird jedoch an durchgeführten Klein- und Großtierexperimenten und den resul-

tierenden klinischen Studien deutlich, dass der Forschungstransfer in eine klinische Routineanwendung selten ohne beachtliche physiologische, technische und auch regulatorische Hürden einhergeht. Die Möglichkeiten der individuellen Therapie mittels Stammzellen und Stammzellprodukten zur Behandlung von Funktionsstörungen und Defekten des unteren Harntrakts sind vielversprechend, wenn pathophysiologische und geschlechtsspezifische Parameter, Art und Größe des geschädigten Gewebeareals bzw. die Verfügbarkeit des zellulären Ausgangmaterials berücksichtigt werden.

Korrespondenzadresse K.-D. Sievert Klinik für Urologie, Universitätsklinik Tübingen, Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Hoppe-Seyler-Straße 3, 72076 Tübingen [email protected]

Einhaltung ethischer Richtlinien Interessenkonflikt.  M. Vaegler, B. Amend, W. Aicher, A. Stenzl und K.-D. Sievert geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht.    

Dieser Beitrag beinhaltet keine Studien an Menschen oder Tieren.

Literatur   1. Milsom I (2009) Lower urinary tract symptoms in women. Curr Opin Urol 19:337–341. doi:10.1097/ MOU.0b013e32832b659d   2. Defade BP, Carson CC 3rd, Kennelly MJ (2011) Postprostatectomy erectile dysfunction: the role of penile rehabilitation. Rev Urol 13:6–13   3. Stothers L, Friedman B (2011) Risk factors for the development of stress urinary incontinence in women. Curr Urol Rep 12:363–369. doi:10.1007/s11934-0110215-z   4. Fu Q, Song XF, Liao GL et al (2010) Myoblasts differentiated from adipose-derived stem cells to treat stress urinary incontinence. Urology 75:718–723. doi:S0090-4295(09)02702-2 [pii] 10.1016/j.urology.2009.10.003   5. Huang YC, Shindel AW, Ning H et al (2010) Adipose derived stem cells ameliorate hyperlipidemia associated detrusor overactivity in a rat model. J Urol 183:1232–1240. doi:S0022-5347(09)02898-5 [pii] 10.1016/j.juro.2009.11.012   6. Ortiz LA, Gambelli F, McBride C et al (2003) Mesenchymal stem cell engraftment in lung is enhanced in response to bleomycin exposure and ameliorates its fibrotic effects. Proc Natl Acad Sci USA 100:8407– 8411. doi:10.1073/pnas.1432929100   7. Atala A, Bauer SB, Soker S et al (2006) Tissue-engineered autologous bladders for patients needing cystoplasty. Lancet 367:1241–1246. doi:S0140-6736(06)68438-9 [pii] 10.1016/S01406736(06)68438-9   8. Chung SY, Krivorov NP, Rausei V et al (2005) Bladder reconstitution with bone marrow derived stem cells seeded on small intestinal submucosa improves morphological and molecular composition. J Urol 174:353–359. doi:S0022-5347(05)60129-2 [pii] 10.1097/01.ju.0000161592.00434.c1

  9. Jack GS, Zhang R, Lee M et al (2009) Urinary bladder smooth muscle engineered from adipose stem cells and a three dimensional synthetic composite. Biomaterials 30:3259–3270. doi:S0142-9612(09)00228-2 [pii] 10.1016/j.biomaterials.2009.02.035 10. Woo LL, Hijaz A, Pan HQ et al (2009) Simulated childbirth injuries in an inbred rat strain. Neurourol Urodyn 28:356–361. doi:10.1002/nau.20644 11. Bongso A, Fong CY, Gauthaman K (2008) Taking stem cells to the clinic: major challenges. J Cell Biochem 105:1352–1360. doi:10.1002/jcb.21957 12. Choumerianou DM, Dimitriou H, Kalmanti M (2008) Stem cells: promises versus limitations. Tissue Eng Part B Rev 14:53–60. doi:10.1089/teb.2007.0216 13. Kolf CM, Cho E, Tuan RS (2007) Mesenchymal stromal cells. Biology of adult mesenchymal stem cells: regulation of niche, self-renewal and differentiation. Arthritis Res Ther 9:204. doi:ar2116 [pii] 10.1186/ar2116 14. Friedenstein AJ, Petrakova KV, Kurolesova AI, Frolova GP (1968) Heterotopic of bone marrow. Analysis of precursor cells for osteogenic and hematopoietic tissues. Transplantation 6:230–247 15. Chamberlain G, Fox J, Ashton B, Middleton J (2007) Concise review: mesenchymal stem cells: their phenotype, differentiation capacity, immunological features, and potential for homing. Stem Cells 25:2739–2749. doi:2007-0197 [pii] 10.1634/stemcells.2007-0197 16. Ahrens N, Tormin A, Paulus M et al (2004) Mesenchymal stem cell content of human vertebral bone marrow. Transplantation 78:925–929 17. Furuta A, Carr LK, Yoshimura N, Chancellor MB (2007) Advances in the understanding of sress urinary incontinence and the promise of stem-cell therapy. Rev Urol 9:106–112 18. De Bari C, Dell’Accio F, Tylzanowski P, Luyten FP (2001) Multipotent mesenchymal stem cells from adult human synovial membrane. Arthritis Rheum 44:1928– 1942. doi:10.1002/1529-0131(200108)44:8 19. Lee OK, Kuo TK, Chen WM et al (2004) Isolation of multipotent mesenchymal stem cells from umbilical cord blood. Blood 103:1669–1675. doi:10.1182/ blood-2003-05-1670

Übersichten 20. Miao Z, Jin J, Chen L et al (2006) Isolation of mesenchymal stem cells from human placenta: comparison with human bone marrow mesenchymal stem cells. Cell Biol Int 30:681–687. doi:10.1016/j.cellbi.2006.03.009 21. Roubelakis MG, Pappa KI, Bitsika V et al (2007) Molecular and proteomic characterization of human mesenchymal stem cells derived from amniotic fluid: comparison to bone marrow mesenchymal stem cells. Stem Cells Dev 16:931–952. doi:10.1089/ scd.2007.0036 22. Zhang Y, McNeill E, Tian H et al (2008) Urine derived cells are a potential source for urological tissue reconstruction. J Urol 180:2226–2233. doi:S00225347(08)01820-X [pii] 10.1016/j.juro.2008.07.023 23. Drewa T, Joachimiak R, Kaznica A et al (2009) Hair stem cells for bladder regeneration in rats: preliminary results. Transplant Proc 41:4345–4351. doi:S0041-1345(09)01334-7 [pii] 10.1016/j.transproceed.2009.08.059 24. Usas A, Huard J (2007) Muscle-derived stem cells for tissue engineering and regenerative therapy. Biomaterials 28:5401–5406. doi:S0142-9612(07)00711-9 [pii] 10.1016/j.biomaterials.2007.09.008 25. Yanez R, Lamana ML, Garcia-Castro J et al (2006) Adipose tissue-derived mesenchymal stem cells have in vivo immunosuppressive properties applicable for the control of the graft-versus-host disease. Stem Cells 24:2582–2591. doi:10.1634/stemcells.2006-0228 26. in’t Anker PS, Noort WA, Scherjon SA et al (2003) Mesenchymal stem cells in human second-trimester bone marrow, liver, lung, and spleen exhibit a similar immunophenotype but a heterogeneous multilineage differentiation potential. Haematologica 88:845– 852 27. Morsczeck C, Götz W, Schierholz J et al (2005) Isolation of precursor cells (PCs) from human dental follicle of wisdom teeth. Matrix Biol 24:155–165. doi:10.1016/j.matbio.2004.12.004 28. Bailey AM, Kapur S, Katz AJ (2010) Characterization of adipose-derived stem cells: an update. Curr Stem Cell Res Ther 5:95–102. doi:ABSTRACT # 20 [pii] 29. Estes BT, Wu AW, Guilak F (2006) Potent induction of chondrocytic differentiation of human adipose-derived adult stem cells by bone morphogenetic protein 6. Arthritis Rheum 54:1222–1232. doi:10.1002/ art.21779 30. Panepucci RA, Siufi JL, Silva WA Jr et al (2004) Comparison of gene expression of umbilical cord vein and bone marrow-derived mesenchymal stem cells. Stem Cells 22:1263–1278. doi:22/7/1263 [pii] 10.1634/ stemcells.2004-0024 31. Silva WA Jr, Covas DT, Panepucci RA et al (2003) The profile of gene expression of human marrow mesenchymal stem cells. Stem Cells 21:661–669. doi:10.1634/stemcells.21-6-661 32. Muraglia A, Cancedda R, Quarto R (2000) Clonal mesenchymal progenitors from human bone marrow differentiate in vitro according to a hierarchical model. J Cell Sci 113(Pt 7):1161–1166 33. Pilz GA, Ulrich C, Ruh M et al (2011) Human term placenta-derived mesenchymal stromal cells are less prone to osteogenic differentiation than bone marrow-derived mesenchymal stromal cells. Stem Cells Dev 20:635–646. doi:10.1089/scd.2010.0308 34. Drost AC, Weng S, Feil G et al (2009) In vitro myogenic differentiation of human bone marrow-derived mesenchymal stem cells as a potential treatment for urethral sphincter muscle repair. Ann NY Acad Sci 1176:135–143 35. Anumanthan G, Makari JH, Honea L et al (2008) Directed differentiation of bone marrow derived mesenchymal stem cells into bladder urothelium. J Urol 180:1778–1783. doi:S0022-5347(08)01140-3 [pii] 10.1016/j.juro.2008.04.076

1678 | 

Der Urologe 12 · 2013

36. Tian H, Bharadwaj S, Liu Y et al (2010) Differentiation of human bone marrow mesenchymal stem cells into bladder cells: potential for urological tissue engineering. Tissue Eng Part A 16:1769–1779. doi:10.1089/ ten.TEA.2009.0625 37. Chen A, Siow B, Blamire AM et al (2010) Transplantation of magnetically labeled mesenchymal stem cells in a model of perinatal brain injury. Stem Cell Res 5:255–266. doi:10.1016/j.scr.2010.08.004 38. Phadnis SM, Joglekar MV, Dalvi MP et al (2011) Human bone marrow-derived mesenchymal cells differentiate and mature into endocrine pancreatic lineage in vivo. Cytotherapy 13:279–293. doi:10.3109/146 53249.2010.523108 39. Vieira NM, Zucconi E, Bueno CR et al (2010) Human multipotent mesenchymal stromal cells from distinct sources show different in vivo potential to differentiate into muscle cells when injected in dystrophic mice. Stem Cell Rev 6:560–566. doi:10.1007/s12015-0109187-5 40. Aggarwal S, Pittenger MF (2005) Human mesenchymal stem cells modulate allogeneic immune cell responses. Blood 105:1815–1822. doi:2004-04-1559 [pii] 10.1182/blood-2004-04-1559 41. Klyushnenkova E, Mosca JD, Zernetkina V et al (2005) T cell responses to allogeneic human mesenchymal stem cells: immunogenicity, tolerance, and suppression. J Biomed Sci 12:47–57. doi:10.1007/s11373-0048183-7 42. Cruz M, Dissaranan C, Cotleur A et al (2012) Pelvic organ distribution of mesenchymal stem cells injected intravenously after simulated childbirth injury in female rats. Obstet Gynecol Int 61: 29–46. doi:10.1155/2012/612946 43. Roufosse CA, Direkze NC, Otto WR, Wright NA (2004) Circulating mesenchymal stem cells. Int J Biochem Cell Biol 36:585–597. doi:10.1016/j.biocel.2003.10.007 S1357272503003455 [pii] 44. Wood HM, Kuang M, Woo L et al (2008) Cytokine expression after vaginal distention of different durations in virgin Sprague-Dawley rats. J Urol 180:753– 759. doi:S0022-5347(08)00923-3 [pii] 10.1016/j.juro.2008.03.182 45. Bahk JY, Jung JH, Han H et al (2010) Treatment of diabetic impotence with umbilical cord blood stem cell intracavernosal transplant: preliminary report of 7 cases. Exp Clin Transplant 8:150–160 46. da Silva Meirelles L, Caplan AI, Nardi NB (2008) In search of the in vivo identity of mesenchymal stem cells. Stem Cells 26:2287–2299. doi:2007-1122 [pii] 10.1634/stemcells.2007-1122 47. Lin G, Wang G, Banie L et al (2010) Treatment of stress urinary incontinence with adipose tissue-derived stem cells. Cytotherapy 12:88–95. doi:10.3109/14653240903350265 [pii] 10.3109/14653240903350265 48. Kinebuchi Y, Aizawa N, Imamura T et al (2010) Autologous bone-marrow-derived mesenchymal stem cell transplantation into injured rat urethral sphincter. Int J Urol 17:359–368. doi:IJU2471 [pii] 10.1111/j.14422042.2010.02471.x 49. Kwon D, Kim Y, Pruchnic R et al (2006) Periurethral cellular injection: comparison of muscle-derived progenitor cells and fibroblasts with regard to efficacy and tissue contractility in an animal model of stress urinary incontinence. Urology 68:449–454. doi:S0090-4295(06)00386-4 [pii] 10.1016/j.urology.2006.03.040 50. Corcos J, Loutochin O, Campeau L et al (2011) Bone marrow mesenchymal stromal cell therapy for external urethral sphincter restoration in a rat model of stress urinary incontinence. Neurourol Urodyn 30:447–455. doi:10.1002/nau.20998 51. Zhao W, Zhang C, Jin C et al (2011) Periurethral injection of autologous adipose-derived stem cells with controlled-release nerve growth factor for the treatment of stress urinary incontinence in a rat model. Eur Urol 59:155–163. doi:S0302-2838(10)01003-1 [pii] 10.1016/j.eururo.2010.10.038

52. Carr LK, Steele D, Steele S et al (2008) 1-year followup of autologous muscle-derived stem cell injection pilot study to treat stress urinary incontinence. Int Urogynecol J Pelvic Floor Dysfunct 19:881–883. doi:10.1007/s00192-007-0553-z 53. Carr L, Robert M, Kultgen PL et al (2010) Autologous muscle-derived cells as therapy for stress urinary incontinence: a randomized, dose-ranging trial. J Urol 183:e587–e588. doi:10.1016/j.juro.2010.02.2368 54. Peters K, Kaufman M, Dmochowski R et al (2011) Autologous muscle derived cell therapy for the treatment of female stress urinary incontinence: a multi-center experience. J Urol 185:e535–e536. doi:10.1016/j.juro.2011.02.1161 55. Nishijima S, Sugaya K, Miyazato M et al (2007) Restoration of bladder contraction by bone marrow transplantation in rats with underactive bladder. Biomed Res 28:275–280. doi:JST.JSTAGE/biomedres/28.275 [pii] 56. Albersen M, Fandel TM, Lin G et al (2010) Injections of adipose tissue-derived stem cells and stem cell lysate improve recovery of erectile function in a rat model of cavernous nerve injury. J Sex Med 7:3331–3340. doi:10.1111/j.1743-6109.2010.01875.x JSM1875 [pii] 57. Atala A (2011) Tissue engineering of human bladder. Br Med Bull 97:81–104. doi:ldr003 [pii] 10.1093/bmb/ ldr003 58. Zou XH, Zhi YL, Chen X et al (2010) Mesenchymal stem cell seeded knitted silk sling for the treatment of stress urinary incontinence. Biomaterials 31:4872– 4879. doi:S0142-9612(10)00302-9 [pii] 10.1016/j.biomaterials.2010.02.056 59. Feil G, Maurer S, Nagele U et al (2008) Bioartificial urothelium generated from bladder washings. A future therapeutic option for reconstructive surgery. Urologe A 47:1091–1092, 1094–1096. doi:10.1007/ s00120-008-1849-4 60. Nagele U, Maurer S, Feil G et al (2008) In vitro investigations of tissue-engineered multilayered urothelium established from bladder washings. Eur Urol 54:1414–1422. doi:S0302-2838(08)00123-1 [pii] 10.1016/j.eururo.2008.01.072 61. Sievert KD, Selent-Stier C, Wiedemann J et al (2012) Introducing a large animal model to create urethral stricture similar to human stricture disease: a comparative experimental microscopic study. J Urol 187:1101–1109. doi:S0022-5347(11)05455-3 [pii] 10.1016/j.juro.2011.10.132 62. Lai JY, Yoon CY, Yoo JJ et al (2002) Phenotypic and functional characterization of in vivo tissue engineered smooth muscle from normal and pathological bladders. J Urol 168:1853–1857 (discussion 1858). doi:10.1097/01.ju.0000030040.76258.5a 63. Subramaniam R, Hinley J, Stahlschmidt J, Southgate J (2011) Tissue engineering potential of urothelial cells from diseased bladders. J Urol 186:2014– 2020. doi:S0022-5347(11)04380-1 [pii] 10.1016/j.juro.2011.07.031 64. Sharma AK, Bury MI, Fuller NJ et al (2011) A nonhuman primate model for urinary bladder regeneration using autologous sources of bone marrow-derived mesenchymal stem cells. Stem Cells 29:241–250. doi:10.1002/stem.568 65. De Filippo RE, Yoo JJ, Atala A (2002) Urethral replacement using cell seeded tubularized collagen matrices. J Urol 168:1789–1792 (discussion 1792–1783). doi:10.1097/01.ju.0000027662.69103.72 66. Raya-Rivera A, Esquiliano DR (2011) Tissue-engineered autologous urethras for patients who need reconstruction: an observational study. Lancet 377:1175–1182. doi:S0140-6736(10)62354-9 [pii] 10.1016/S0140-6736(10)62354-9 67. Franke K, Baur M, Daum L et al (2013) Prostate carcinoma cell growth-inhibiting hydrogel supports axonal regeneration in vitro. Neurosci Lett 541:248–252. doi:10.1016/j.neulet.2013.01.057