Differenzierung: Bedeutung, Ablauf und Klinik

Die Differenzierung von Zellen ist ein fundamentaler Prozess in der Biologie, der die Entwicklung und Funktionalität vielzelliger Organismen ermöglicht. Durch gezielte genetische Steuerung entwickeln sich unspezialisierte Zellen zu spezialisierten Zelltypen mit spezifischen Aufgaben. Dieser Prozess spielt eine zentrale Rolle in der Embryonalentwicklung, der Geweberegeneration und zahlreichen biologischen Mechanismen. In diesem Artikel wird erläutert, wie die Zell-Differenzierung funktioniert, welche Faktoren sie beeinflussen und welche Bedeutung sie für die Medizin hat.

Differenzierung – Definition

Die Differenzierung von Zellen bezeichnet den Prozess, bei dem unspezialisierte Zellen, wie Stammzellen, sich in spezialisierte Zelltypen mit spezifischen Funktionen entwickeln.

Differenzierung – Ablauf

Zellen, die sich differenzieren sollen, fehlt ein Reiz zur normalen Mitose und es wirken bestimmte Differenzierungsfaktoren auf sie ein. Im Rahmen des Zellzyklus gehen sie aus der G1-Phase in die G0-Phase über, in der die Differenzierung ablaufen kann. In dieser müssen sie spezielle Strukturen ausbilden, mit denen sie ihre spätere Funktion ausüben können. Letztendlich kann dieser Prozess der Differenzierung mit und ohne Zellteilung ablaufen.

Stammzellen

Unterscheiden kann man embryonale von adulten Stammzellen. Einer der wichtigsten Unterschiede ist die Potenz, in welche Zelltypen sich die beiden differenzieren können. Dabei unterscheidet man folgende Potenzen:

• Totipotent (omnipotent) sind eigentlich nur die Zellen des Embryos bis zum 8-Zell-Stadium. Sie können sich in alle möglichen Zellen des Embryos oder der Plazenta entwickeln.
• Pluripotent nennt man die Stammzellen des Embryos, die sich noch in alle Zellarten des Embryos differenzieren, ausgeschlossen sind aber die Zellen der Plazenta.
• Maximal multipotent sind Stammzellen noch nach der Geburt. Sie können sich nur noch zu den Zellen eines bestimmten Gewebetyps differenzieren. So zum Beispiel die mesenchymalen Stammzellen, die sich zu Zellen im Bereich des Binde- und Stützgewebes entwickeln.
• Oligopotent sind eben jene Zellen, die sich nur noch zu wenigen Zellen eines bestimmten Gewebes differenzieren können. Dabei handelt es sich häufig um bestimmte Vorläuferzellen.
• Unipotent ist eine Stammzelle, wenn sie sich nur noch zu einem anderen Zelltyp differenzieren können. Typischerweise ist dies die unipotente Stammzelle in der Spermatogenese.

Adulte Stammzellen sind also jene, die in dem Körper nach der Geburt gefunden werden.

Terminale Differenzierung

In einigen Geweben durchlaufen Zellen Differenzierungen bis sie eine letzte Stufe erreicht haben. Danach können diese nicht wieder in den Zellzyklus eintreten und sich in der Regel auch nicht mehr teilen. Um trotzdem immer für Nachschub sorgen zu können, müssen spezielle Stammzellen für den Ersatz sorgen. Beispiele für terminal differenzierte Zellen sind rote Blutkörperchen (Erythrozyten), Endothelzellen oder die Hornzellen der Epidermis.

Wiederum andere Zellen, die eine terminale Differenzierung erreicht haben, werden als permanente Zellen bezeichnet, weil sie etwa so lange in diesem Zustand überleben wie der Organismus lebt oder sie durch Schädigung untergehen. Zu diesen gehören beispielsweise Nervenzellen und Herzmuskelzellen.

Differenzierung – Funktion

Eine wichtige Funktion der Differenzierung ist die Spezialisierung von Zellen. Dabei entwickeln Zellen spezifische Strukturen und Funktionen, so zum Beispiel Muskelzellen Proteine für die Kontraktion oder Nervenzellen für Signalübertragung.

Durch Differenzierung entstehen Gewebe wie Haut, Muskel– oder Nervengewebe. Gerade die Haut ist einem stetigen Auf- und Abbau unterlegen, weshalb Stammzellen immer wieder für Nachschub sorgen müssen, indem sie sich immer weiter ausdifferenzieren und letztendlich die Hornschicht bilden.

Im Laufe der Embryonalentwicklung spielt die Differenzierung toti- und pluripotenter Stammzellen bei der Organbildung eine wichtige Rolle. Im adulten Körper arbeiten dann spezialisierte Zellen zusammen, um Organe wie Herz, Lunge oder Leber zu bilden und deren Funktion auszuüben.

Differenzierung – Klinik

In der Krebsdiagnostik beschreibt der Differenzierungsgrad eines Tumors, wie stark sich die Krebszellen von normalen Zellen unterscheiden. Dies wird als Tumorgradierung bezeichnet. Gut differenzierte Tumoren ähneln dabei weitgehend normalem Gewebe und wachsen langsamer. Schlecht differenzierte oder undifferenzierte Tumoren zeigen kaum noch Ähnlichkeit mit dem Ursprungsgewebe, wachsen aggressiver und haben eine schlechtere Prognose.

Bei Knochenmarktransplantation werden die hämatopoetische Stammzellen des Spenders für die Blutbildung transplantiert. Diese sollen zum Beispiel in der Therapie der Leukämie die kranken Blutzellen verdrängen und neue gesunde bilden.