Eine neue Denkweise über die Entwicklung der Orgelarchitektur

In jedem sich entwickelnden Embryo liegt das Geheimnis der Selbstorganisation: Wie formt sich ein Organismus selbst, während er gerade dabei ist, seine Teile herzustellen?

Mithilfe eines ganzheitlichen und nicht reduktionistischen Ansatzes bei der Untersuchung der Gewebebildung haben Forscher aufgezeigt, wie Signalmoleküle die biophysikalischen Prozesse beeinflussen, die das sich entwickelnde Organ formen. Diese Prozesse sind in a beschrieben Studie In Wissenschaft unter der Leitung von Alan Rodrigues und Amy Shyer, Co-Direktoren des Laboratory of Morphogenesis an der Rockefeller University.

Dieser Arbeit liegt ein grundlegender Wandel in der Denkweise zugrunde, der darauf abzielt, einen breiteren, sinnvollen Kontext für die Untersuchung der Organentwicklung bereitzustellen, der sogar zu einer wirksameren Diagnose und Behandlung vieler menschlicher Krankheiten führen kann.

„Die Frage, die einen Großteil unserer Arbeit antreibt, ist, wie Tausende von Zellen zusammenkommen, um die geordneten Muster zu erzeugen, die in Geweben zu sehen sind“, sagt Rodrigues. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass es eine neue Ordnung gibt, die über Moleküle und einzelne Zellen hinausgeht und die berücksichtigt werden muss.“

Die Organentwicklung aus der Vogelperspektive

Frühere Arbeiten zur Organentwicklung stützten sich stark auf Morphogene, Signalmoleküle, die eine entscheidende Rolle bei der Beeinflussung der Zellidentität und des Zellverhaltens spielen. Bahnbrechende Studien haben gezeigt, dass verschiedene Morphogene, wenn sie mutiert sind, zu missgebildeten Organen führen können (Arbeit, die zu einem Nobelpreis führte).

Die meisten Arbeiten zu Morphogenen konzentrierten sich jedoch auf die Funktionsweise dieser Signalmoleküle auf genetischer oder molekularer Ebene, Zelle für Zelle, unter der Annahme, dass die komplexe Choreographie der Gewebebildung auf die Gene zurückzuführen ist, die in jeder einzelnen Zelle exprimiert werden. Rodrigues und Shyer vermuteten, dass ein breiterer Blick auf ganze Gruppen von Zellen, die dazu bestimmt sind, Gewebe zu bilden – ein Blick von der sogenannten kollektiven Zellskala oder suprazellulären Ebene aus – einen großen Beitrag zur Erklärung dessen leisten könnte, was bisher unerklärlich blieb.

„Morphogene sind für die Entwicklung von entscheidender Bedeutung, aber es gibt viele unbeantwortete Fragen darüber, wie sie an der Formung von Geweben beteiligt sind, insbesondere wenn Kollektive aus Tausenden von Zellen beteiligt sind“, sagt Shyer. „Wir wollten über die einzelne Zelle hinausdenken und die Gewebebildung in einem größeren Maßstab betrachten.“

Um die Bedeutung dieser Vogelperspektive auf die Organentwicklung zu demonstrieren, griffen Rodrigues und Shyer auf die sich entwickelnde Hühnerhaut als Modell zurück. Die Forscher wählten ihr System aufgrund seiner idealen Komplexität: Die Haut entwickelt sich als flaches Blatt, das mit einer Reihe von Unebenheiten übersät ist. Das bedeutet, dass sie einfach genug ist, um damit zu arbeiten, und dennoch kompliziert genug, um als Modell für die Feinheiten menschlicher Organe zu dienen . Durch die Untersuchung von embryonalem Hautgewebe über die Größe einer Zelle hinaus hoffte das Team herauszufinden, wie neue Strukturen in einem Organ entstehen.

Die Hautstrukturen kommen während eines kritischen Fensters etwa eine Woche nach der Entwicklung des Hühnerembryos zusammen, analog zu etwa einem Monat nach der menschlichen Entwicklung in der Gebärmutter. „Es ist ein einzigartiges und entscheidendes Stadium, in dem ein Mensch kaum noch von einer Kuh, einer Maus oder einem Huhn zu unterscheiden ist. Dies ist der Zeitpunkt, an dem man die Gewebearchitektur erhält, die ein Leben lang bestehen bleibt“, erklärte Rodrigues. „Wirbeltiere sehen in diesem Stadium bemerkenswert ähnlich aus, was darauf hindeutet, dass tiefe, konservierte Prinzipien vorhanden sind.“

Viskosität, Elastizität und mechanische Aktivität

Nachdem das Team wichtige Wendepunkte in der Entwicklung embryonaler Haut identifiziert hatte, begann es mit der Analyse auf kollektiver Zellebene. Die Autoren konzentrierten sich auf die Charakterisierung von Veränderungen, die in den materiellen und mechanischen Eigenschaften dermaler Zellkollektive auftreten, wenn sie Morphogenen ausgesetzt werden: Viskosität, Elastizität und mechanische Aktivität.

Die Konzentration auf Zellkollektive statt auf einzelne Zellen bietet eine Möglichkeit, funktionell bedeutsame Merkmale zu beobachten, die sonst übersehen würden. Eine einzelne Herzzelle kann kein Blut pumpen und ein einzelnes Neuron kann keine Oper schreiben; Herz und Gehirn funktionieren nur dann vollständig, wenn kollektive Maßnahmen ergriffen werden, die die Fähigkeiten ihrer einzelnen Einheiten irgendwie übertreffen. Diejenigen, die solch komplexe Systeme untersuchen, bezeichnen solche Phänomene als entstehende Eigenschaften, weil diese Fähigkeiten nicht in einer einzelnen Komponente liegen, sondern nur durch ihre dynamischen Wechselbeziehungen entstehen.

Das Team stellte die Hypothese auf, dass sich neu entstehende Eigenschaften von Zellkollektiven in physikalischen Eigenschaften wie Viskosität, Elastizität und mechanischer Aktivität widerspiegeln könnten. „Die Herausforderung, die wir angehen wollten, bestand darin, diese entstehenden Eigenschaften auf kollektiver Zellebene experimentell zu erfassen und damit ihre Existenz zu belegen“, sagt Rodrigues.

Zusammen mit den Co-Erstautoren Sichen Yang und Karl Palmquist, die beide ihr Abschlussstudium bei Rockefeller absolvierten, entwickelte das Team Techniken zur Messung suprazellulärer physikalischer Eigenschaften. Ein Test umfasste die Rasterkraftmikroskopie, bei der die Materialeigenschaften eines Gewebes insgesamt getestet werden, indem man es mit einer Sonde anstößt und seine Härte misst. „Das Schöne an der kollektiven Zellwaage ist, dass man sie tatsächlich ziehen und schieben kann“, sagt Shyer. „Es ist eine sehr taktile Art, Dinge zu erledigen.“

Das Team verwendete auch einen anderen Test, die sogenannte Sphäroidfusion, bei dem sie charakterisierten, wie zwei „Sphäroid“-Zellcluster miteinander verschmolzen, wenn sie nebeneinander platziert wurden. „Wenn zwei Regentropfen in Kontakt kommen, verschmelzen sie schnell zu einem großen Tropfen, was auf ihre Fließfähigkeit hinweist. Wenn dagegen zwei Billardkugeln nebeneinander platziert werden, bleiben sie getrennt, was auf ihre feste Natur hinweist“, sagt Shyer. Wenn Sphäroide mit einem spezifischen Morphogen, dem Bone Morphogenetic Protein (BMP), behandelt wurden, verschmolzen die Zellcluster wie Wasser miteinander. Als die Sphäroide jedoch mit einem anderen Morphogen, dem Fibroblasten-Wachstumsfaktor (FGF), behandelt wurden, verschmolzen sie nur teilweise wie zwei Tonkugeln, was auf eine erhöhte Festigkeit hindeutet.

Anschließend begann das Team in Zusammenarbeit mit Pearson Miller, einem angewandten Mathematiker und Mitarbeiter am Flatiron Institute, zu untersuchen, wie solche Veränderungen der suprazellulären physikalischen Eigenschaften für die Entstehung neuer Strukturen verantwortlich sein könnten. Das Team kombinierte quantitative biophysikalische Modelle mit experimentellen Daten, um den Nachweis zu erbringen, dass ein fester Kern, umgeben von einem aktiven Flüssigkeitsrand, in einer mechanisch instabilen Geometrie entsteht. Diese Instabilität löst sich von selbst auf und erzeugt dabei einen Vorsprung, der aus der Hautebene herausragt.

Beeinflusst durch das Denken auf subzellulärer Ebene war das Fachgebiet davon ausgegangen, dass diese Vorsprünge auf der Migration einzelner Zellen oder der lokalen Proliferation beruhten. Im Gegensatz dazu legt diese Studie nahe, dass die entscheidende physikalische Aktion, die für die Bildung neuer Organstrukturen verantwortlich ist, auf suprazellulärer Ebene stattfindet.

„Das reicht aus, um die Form der Haut und des Follikels zu erzeugen“, sagt Shyer. „Was wir also sehen, ist, dass Morphogene die Formung von Organen nicht direkt steuern. Ihr Einfluss wird durch suprazelluläre Eigenschaften und Prozesse vermittelt, was wir erst jetzt zu verstehen beginnen.“

Wenn es keine rauchende Waffe gibt

Obwohl diese Erkenntnisse nur durch die Berücksichtigung von Eigenschaften erzielt werden konnten, die über die einzelne Zelle hinausgehen, stellt Shyer fest, dass Morphogene tatsächlich eine Schlüsselrolle auf zellulärer Ebene spielen. „Natürlich kommt es innerhalb jeder Zelle zu molekularen Veränderungen, wenn sie entweder mit BMP oder FGF behandelt werden“, sagt sie.

Tatsächlich charakterisierte das Team molekulare Merkmale innerhalb der Zellkollektive und fand wichtige Veränderungen im Zytoskelett sowie in der Zusammensetzung und Anordnung der extrazellulären Matrix. Darüber hinaus ergab die Einzelzellsequenzierung, dass ein einzelnes Morphogen wahrscheinlich die Expression von Dutzenden bis Hunderten von Genen verändert. Gleichzeitig manifestierte sich der Beitrag dieser molekularen Veränderungen aus materieller Sicht auf der suprazellulären Ebene.

Die Verlagerung des Fokus auf die kollektive Zellskala könnte Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit haben. Da beispielsweise ein aufkeimender Tumor Merkmale mit einer embryonalen Struktur teilt, nutzen die Forscher ihre Methode nun zur Erforschung von Krebsgeschwülsten.

„Unsere Hypothese ist, dass wir nicht vollständig verstehen werden, warum eine einzelne mutierte Zelle einen Tumor bildet, wenn wir das Tumorgewebe nicht auf suprazellulärer Ebene untersuchen“, sagt Rodrigues. Um dieser Spur nachzugehen, untersucht das Team derzeit, wie seine Methoden die Erforschung von Eierstockkrebs beeinflussen könnten.

Ein suprazellulärer Ansatz könnte neue Modalitäten der Krankheitsdiagnose und -behandlung eröffnen. „Es könnte sein, dass die subtile Abstimmung von Hunderten von Genen zu neuen Material- und mechanischen Eigenschaften führt, die zum Abbau von gesundem Gewebe beitragen“, erklärt Rodrigues.

„Die relativ begrenzte Anzahl potenzieller suprazellulärer Eigenschaften könnte einen dringend benötigten Halt für die Behandlung der vielen Krankheitsbereiche bieten, für die es keinen eindeutigen molekularen Beweis gibt.“