Unsere Zellen machen es sich in den Kurven bequem

Wichtige Entdeckung für die Kultur von In-vitro-Organen

17.05.2022 - Schweiz

Wie organisieren sich unsere Zellen, um unseren Organen ihre endgültige Form zu geben? Die Antwort liegt in der Morphogenese, der Gesamtheit der Mechanismen, die ihre Verteilung im Raum während der Embryonalentwicklung regeln. Ein Team der Universität Genf (UNIGE) hat in diesem Bereich eine überraschende Entdeckung gemacht: Wenn sich ein Gewebe krümmt, vergrößert sich das Volumen der Zellen, aus denen es besteht, anstatt sich zu verkleinern. Diese Entdeckung eröffnet neue Wege für die In-vitro-Organkultur, die eine teilweise Alternative zu Tierversuchen darstellt. Sie eröffnet auch neue Perspektiven für die Herstellung bestimmter Materialien. Diese Forschungsarbeit wurde in der Zeitschrift Developmental Cell veröffentlicht.

In der Biologie werden die Mechanismen, die die Verteilung von Zellen im Raum bestimmen, um die Form und Struktur unserer Gewebe und Organe zu formen, als "Morphogenese" bezeichnet. Diese Mechanismen wirken während der Embryonalentwicklung und erklären, wie beispielsweise die Falten unseres Darms oder die Lungenbläschen gebildet werden. Mit anderen Worten: Diese Phänomene sind die Grundlage unserer Entwicklung und der aller Lebewesen.

Zellen schwellen an, und das ist unerwartet

In einer kürzlich durchgeführten Studie hat das Team von Professor Roux untersucht, wie die Zellen, aus denen ein Gewebe besteht, reagieren und sich anpassen, wenn es gebogen wird. Indem sie eine Monoschicht von Zellen in vitro rollten, d. h. eine kompakte, flache Ansammlung von nebeneinander angeordneten Zellen, machten die UNIGE-Wissenschaftler eine kontraintuitive Entdeckung. "Wir haben festgestellt, dass das Volumen der Zellen, die sich in der Krümmung befinden, nach fünf Minuten um etwa 50% zunahm, anstatt abzunehmen, und sich dann innerhalb von 30 Minuten wieder normalisierte", erklärt Aurélien Roux, der letzte Autor dieser Studie. Dies ist das Gegenteil von dem, was man bei der Biegung eines elastischen Materials beobachten kann.

Bei der Biegung dieses "Blattes" von Zellen, das dem unserer Haut ähnelt, stellten die Forscher fest, dass dieses anschwillt und die Form von kleinen Kuppeln annimmt. "Die Tatsache, dass diese Volumenzunahme zeitlich gestaffelt und vorübergehend ist, zeigt auch, dass es sich um ein aktives und lebendiges System handelt", fügt Caterina Tomba, Erstautorin der Studie und ehemalige Forscherin in der Abteilung für Biochemie der UNIGE, hinzu.

Ein mechanisches und biologisches Phänomen

Es ist die Kombination zweier Phänomene, die diese Volumenvergrößerung erklärt. "Das erste ist eine mechanische Reaktion auf die Krümmung, das zweite hängt mit dem osmotischen Druck zusammen, der auf die Zelle ausgeübt wird", erklärt Aurélien Roux. Die Zellen entwickeln sich in einer Umgebung, die aus Salzwasser besteht. Die halbdurchlässige Membran, die sie von ihrer Umgebung trennt, lässt Wasser durch, nicht aber Salz, das einen gewissen Druck auf die Zelle ausübt. Je höher die Salzkonzentration außerhalb der Zelle ist - und damit der so genannte osmotische Druck -, desto mehr Wasser dringt durch die Zellmembran und vergrößert ihr Volumen.

"Wenn eine Krümmung entsteht, reagieren die Zellen so, als ob der osmotische Druck zunehmen würde. Sie nehmen also mehr Wasser auf, was zur Folge hat, dass sie anschwellen", erklärt der Forscher.

Nützlich für weniger Tierversuche

Zu verstehen, wie Zellen auf Biegung reagieren, ist ein wichtiger Fortschritt für die In-vitro-Entwicklung von Organoiden. Diese dreidimensionalen multizellulären Strukturen, die die Mikroanatomie eines Organs und seine Funktionen nachahmen sollen, können in der Tat eine Vielzahl von Forschungsarbeiten ermöglichen, ohne dass Tierversuche erforderlich sind. "Unsere Entdeckung ist ein aktives Phänomen, das berücksichtigt werden muss, um das spontane Wachstum von Organoiden zu kontrollieren, d.h. um die gewünschte Form und Größe des Organs zu erhalten", sagt Aurélien Roux. Langfristiges Ziel wäre es, jedes beliebige Ersatzorgan für bestimmte Patienten "züchten" zu können.

Diese Ergebnisse sind auch für die Industrie von Interesse. "Heute gibt es keine Materialien, die ihr Volumen vergrößern, wenn sie gefaltet werden. Ingenieure haben ein solches Material erdacht, ohne es jemals zu realisieren, weil seine Herstellung extrem kompliziert war. Unsere Arbeit bietet daher auch neue Schlüssel zum Verständnis der Entwicklung solcher Materialien", schließt Aurélien Roux.

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