Forschende der Universität Konstanz und der Queen Mary University of London haben einen bedeutenden Fortschritt erzielt, der die Produktion roter Blutkörperchen im Labor effizienter machen könnte. Ihre Entdeckung, veröffentlicht in der renommierten Fachzeitschrift Science Signaling, beleuchtet die Rolle des Chemokins CXCL12 und seines Rezeptors CXCR4 bei der Zellkernausstoßung – einem entscheidenden Schritt in der Entwicklung roter Blutkörperchen.

Täglich werden in Deutschland etwa 15.000 Blutkonserven benötigt, die bislang fast ausschließlich von freiwilligen Spenderinnen stammen. Angesichts der begrenzten Verfügbarkeit und der Notwendigkeit, seltene Blutgruppen oder spezifische Anforderungen zu erfüllen, forschen Wissenschaftlerinnen seit Jahrzehnten an der künstlichen Herstellung von Blut. „Die Blutproduktion im menschlichen Körper ist ein hochkomplexer Prozess, der im Knochenmark stattfindet“, erklärt Dr. Julia Gutjahr, Biologin am Institut für Zelluläre Biologie und Immunologie Thurgau der Universität Konstanz. „Erst wenn wir jeden einzelnen Schritt exakt verstehen, können wir diesen Prozess im Labor nachbilden.“

Ein zentraler Schritt in der Blutbildung ist die Entwicklung von Stammzellen zu Erythroblasten, den Vorläuferzellen der Erythrozyten – der roten Blutkörperchen, die Sauerstoff transportieren. „Im letzten Reifungsschritt wirft der Erythroblast seinen Zellkern aus, ein Prozess, der nur bei Säugetieren vorkommt, vermutlich um Platz für den Sauerstofftransport zu schaffen“, sagt Gutjahr. Bisher war unklar, welche Faktoren diesen Zellkernausstoß im Knochenmark auslösen. Genau hier setzt die neue Entdeckung an.

Die Forschungsgruppe unter der Leitung von Gutjahr und Prof. Dr. med. Antal Rot, experimenteller Pathologe am William Harvey Research Institute der Queen Mary University of London, hat herausgefunden, dass das Chemokin CXCL12 und sein Rezeptor CXCR4 eine zentrale Rolle spielen. „Wir haben entdeckt, dass CXCL12 den Zellkernausstoß triggern kann“, berichtet Gutjahr. „Dieses Molekül, das vor allem im Knochenmark vorkommt, benötigt ein präzises Zusammenspiel verschiedener Faktoren. Durch die gezielte Zugabe von CXCL12 zum richtigen Zeitpunkt konnten wir den Zellkernausstoß im Labor künstlich auslösen.“
Die Entdeckung ist nicht nur ein Meilenstein für die künstliche Blutproduktion, sondern eröffnet auch neue Perspektiven in der Zellbiologie. „Bisher wussten wir, dass Chemokine wie CXCL12 in anderen Zellen die Zellmigration steuern“, erklärt Rot. „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.“

Die neuen Erkenntnisse bauen auf jahrelanger Forschung auf. Gutjahr begann ihre Arbeit 2019 als Postdoktorandin unter der Leitung von Rot in London und führt diese nun an der Universität Konstanz fort, wo sie seit 2023 eine eigene Arbeitsgruppe leitet. „Derzeit untersuchen wir, wie CXCL12 exakt eingesetzt werden muss, um die Produktion humaner Erythrozyten möglichst effizient zu gestalten“, sagt sie. Ziel ist es, die Erfolgsrate der Zellkernausstoßung zu steigern und die Abhängigkeit von Stammzellen zu reduzieren.

Bisher ist die Herstellung roter Blutkörperchen aus Stammzellen der effizienteste Ansatz, mit einer Erfolgsquote von etwa 80 Prozent bei der Zellkernausstoßung. „Das ist eine gute Quote, aber Stammzellen sind nicht unbegrenzt verfügbar“, betont Gutjahr. Stammzellen werden meist aus Nabelschnurblut oder gezielten Spenden gewonnen, was ihre Verfügbarkeit einschränkt. Eine Alternative ist die Umprogrammierung normaler Körperzellen zu Stammzellen, aus denen dann rote Blutkörperchen hergestellt werden. Dieser Prozess ist jedoch zeitaufwändig und die Erfolgsquote liegt bei nur etwa 40 Prozent. „Mit CXCL12 könnten wir die Erfolgsquote deutlich steigern“, sagt Gutjahr. „Normale Körperzellen sind quasi unendlich verfügbar, was die Produktion revolutionieren könnte.“

Sollte die künstliche Blutproduktion in großem Maßstab gelingen, eröffnen sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. „Die Herstellung bleibt aufwendig, aber sie könnte gezielt seltene Blutgruppen produzieren, Engpässe überbrücken oder individuell abgestimmtes Blut für spezielle Behandlungen ermöglichen“, erklärt Gutjahr. Dies wäre besonders für Patientinnen mit seltenen Blutgruppen oder komplexen medizinischen Bedürfnissen ein Durchbruch. Die Forschung steht jedoch erst am Anfang. „Wir haben einen wichtigen Schritt gemacht, aber es gibt noch viele offene Fragen“, räumt Gutjahr ein. Ihre Arbeitsgruppe in Konstanz arbeitet intensiv daran, die Rolle von CXCL12 weiter zu entschlüsseln und die Produktion zu optimieren. „Die Zusammenarbeit mit unseren Kolleginnen in London war entscheidend für diesen Erfolg“, betont Rot. „Unsere Erkenntnisse zeigen, wie Grundlagenforschung und angewandte Wissenschaft Hand in Hand gehen können, um medizinische Herausforderungen zu lösen.“

Original Paper:

Julia Christine Gutjahr, Elin Hub, Caroline Amy Anderson, Maryna Samus, Katharina Artinger, Esteban A. Gomez, Christoph Ratswohl, Natalie Wickli, Mandy Raum, Neil Dufton, Jesmond Dalli, Jemima J. Burden, Johan Duchene, Antal Rot (2025). Intracellular and nuclear CXCR4 signaling promotes terminal erythroblast differentiation and enucleation. Science Signaling. DOI: 10.1126/scisignal.adt2678

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