Ein neuer Weg für das Nachwachsen der Gliedmaßen

In einem neue Studie veröffentlicht in NaturkommunikationForscher der EPFL beleuchten die beispiellosen Fähigkeiten des Axolotls zur Gliedmaßenregeneration, stellen lang gehegte Annahmen in Frage und bieten neue Einblicke in das mögliche Nachwachsen von Gliedmaßen bei Säugetieren.

In den ruhigen Gewässern Mexikos fasziniert der Axolotl – eine Salamanderart – Wissenschaftler seit langem mit seiner bemerkenswerten Fähigkeit, verlorene Gliedmaßen nachwachsen zu lassen. Diese faszinierende Fähigkeit hat es zu einem Brennpunkt für Forscher gemacht, die versuchen, die Geheimnisse der Gliedmaßenregeneration zu entschlüsseln. Dennoch hat sich die Regenerationsfähigkeit des Axolotl als schwer fassbar erwiesen, was nicht geringe Kontroversen hervorrief.

Der Hauptakteur ist eine Struktur, die als „Apical-Ectodermal-Ridge“ (AER) bekannt ist und eine zentrale Rolle bei der Entwicklung der Gliedmaßen bei Wirbeltieren spielt. Im sich entwickelnden Embryo bildet sich das AER aus der sogenannten Gliedmaßenknospe und wird zum wichtigsten Signalzentrum, das die Gliedmaßen des neuen Organismus organisiert und dafür sorgt, dass sie richtig wachsen. Ohne eine AER sollte kein Glied gebildet werden.

Was hat das mit dem Axolotl zu tun? Mehrere Studien, die versuchen zu verstehen, wie der Axolotl seine Gliedmaßen regeneriert, konnten nicht feststellen, ob diese Tiere AER-Zellen verwenden oder überhaupt über sie verfügen. Die Bedeutung dieser Tatsache kann nicht unterschätzt werden, wenn man bedenkt, dass diese Zellen von mehreren Arten geteilt werden und als Voraussetzung für eine erfolgreiche Entwicklung von Gliedmaßen, einschließlich des Menschen, angesehen werden.

Jetzt haben Wissenschaftler der EPFL und der TU Dresden endlich den Mechanismus des Nachwachsens der Gliedmaßen des Axolotls entschlüsselt und damit neue Erkenntnisse mit enormen Auswirkungen auf die regenerative Medizin beim Menschen gewonnen. Die Studie wurde von der Gruppe von Can Aztekin geleitet, einem Early Independent Research Scholar (ELISIR) und Branco Weiss Fellow an der Fakultät für Lebenswissenschaften der EPFL, in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Tatiana Sandoval-Guzmán an der TU Dresden.

Einzelzell-Transkriptomik: Ein Atlas mit mehreren Arten

Die Forscher begannen mit der Erstellung eines „Atlas“ – eines hochrangigen Datensatzes – des Transkriptoms einzelner Zellen mehrerer Arten, darunter Axolotl, Menschen, Mäuse, Hühner und Frösche. Das Transkriptom stellt einen umfassenden Satz von RNA-Transkripten dar, die vom Genom einer Zelle produziert werden.

„Durch die Nutzung eines beispiellosen Atlas und den Vergleich Tausender einzelner Zellen von fünf Arten, darunter Menschen und Axolotls, gab uns unsere Strategie die einzigartige Chance, die einzigartige Zelllandschaft des Axolotls während des Nachwachsens der Gliedmaßen zu bestimmen und zu bestimmen, wie ähnlich diese Tiere dem Menschen in einem unvoreingenommenen Zustand sind.“ Art und Weise“, sagt Can Aztekin.

Der Zweck des Atlas bestand darin, detaillierte Vergleiche zwischen den Genexpressionsprofilen der verschiedenen Arten während der Entwicklung und Regeneration der Gliedmaßen anzustellen und festzustellen, welche Gene beteiligt sind und welche nicht.

Der tiefe Tauchgang brachte einen Schatz hervor: Axolotls haben Zellen mit Eigenschaften, die den AER-Zellen sehr ähnlich sind. „Trotz früherer widersprüchlicher Berichte zeigt unsere Arbeit, dass diese Lebewesen Zellen mit Eigenschaften enthalten, die denen ähneln, die für die Entwicklung von Armen oder Beinen bei anderen Arten, einschließlich des Menschen, wesentlich sind“, sagt Jixing Zhong, der Erstautor der Arbeit und Doktor der Medizin. Student im Aztekin-Labor.

Eröffnet neue Wege für das Nachwachsen von Gliedmaßen

Doch es gab eine Wendung in der Studie, die lang gehegte Annahmen über die Regeneration von Gliedmaßen in Frage stellt. Die Forscher verwendeten einen Ansatz namens „räumliche Transkriptomik“, eine hochmoderne Technik, die aufdecken kann, welche Gene in bestimmten Teilen eines Gewebes exprimiert werden.

Der Ansatz ergab, dass Axolotl-Gliedmaßen die AER-Zellen während der Regeneration nicht vollständig reformieren. Aztekin erklärt: „Während der Regeneration im Axolotl reformieren sich die AER-ähnlichen Zellen nicht vollständig in der Art und Weise, wie viele angenommen hatten – selbst entgegen dem Dogma in unseren häufig verwendeten Lehrbüchern – und enthüllten einen einzigartigen Ansatz für das Nachwachsen von Gliedmaßen beim Axolotl.“

Die Studie zeigte, dass der Axolotl – wie andere Arten auch – Teile des grundlegenden AER-Programms zur Entwicklung von Gliedmaßen nutzt, es jedoch auf verschiedene Zelltypen aufgeteilt ist. Abgesehen davon, dass bisherige Annahmen über die Regeneration von Gliedmaßen und die Entwicklungsbiologie in Frage gestellt werden, ermöglicht die Entdeckung nun die Erforschung mehrerer Strategien für die Regeneration von Gliedmaßen bei Säugetieren, einschließlich Menschen.

„Während früher angenommen wurde, dass es eine universelle Methode zur Gliedmaßenregeneration gibt, deuten unsere Ergebnisse auf eine komplexere Realität hin“, sagt Zhong. Aztekin fährt fort: „Bei der Untersuchung der Regenerationsfähigkeiten von Axolotls und Froschkaulquappen, evolutionär gesehen die Arten, die dem Menschen mit der Fähigkeit zur Gliedmaßenregeneration am nächsten kommen, haben wir herausgefunden, dass diese Arten während des Regenerationsprozesses unterschiedliche Zelltypen verwenden, was darauf hindeutet, dass es möglicherweise mehrere Möglichkeiten gibt, eine Gliedmaßenregeneration zu erreichen.“ .“