Kommunikation und Koordination zwischen verschiedenen Zellen sind grundlegende Aspekte, die viele Funktionen in unserem Körper regulieren. Dieser Prozess, bekannt als parakrine Signalgebung, beinhaltet die Freisetzung von Signalmolekülen durch eine Zelle in ihre extrazelluläre Matrix (ECM) oder Umgebung, um Änderungen in ihren zellulären Prozessen oder der lokalen Umgebung mitzuteilen. Diese Signalmoleküle werden dann von benachbarten Zellen erkannt, was zu verschiedenen zellulären Reaktionen führt.
Bei einer Zell-/Gewebeverletzung beispielsweise setzt der parakrine Signalprozess Wachstumsfaktoren frei, die benachbarten Stammzellen signalisieren, bei der Gewebereparatur in Form von Narbenbildung oder Blutgerinnung zu helfen. Ähnliche Prozesse finden bei der Regulierung anderer lebenswichtiger Funktionen statt, wie etwa bei der Verdauung, Atmung und Fortpflanzung. Darüber hinaus beeinflussen parakrine Signale die Expression und Aktivität von Enzymen, die am Arzneimittelstoffwechsel beteiligt sind, und spielen eine Rolle bei Arzneimittelwechselwirkungen.
Die Signalmoleküle, die Proteine und genetisches Material enthalten können, werden in winzigen Vesikeln, sogenannten Exosomen, transportiert. Diese Vesikel dienen als wertvolle Biomarker für verschiedene Krankheiten und können sogar so verändert werden, dass sie Medikamente transportieren, was sie zu einem hochwirksamen, gezielten Arzneimittelverabreichungssystem macht. Insbesondere das Hormon Oxytocin und der Neurotransmitter Dopamin sind parakrine Botenstoffe.
Um die Auswirkungen von Exosomen auf Zell-Zell-Interaktionen zu untersuchen, hat ein Forscherteam, darunter Professor Hidenori Otsuka und Dr. Shohei Ishikawa von der Tokyo University of Science, kürzlich ein innovatives Zellkultursystem entwickelt. Ihre Ergebnisse waren veröffentlicht im Journal Biotechnologie und Bioengineering am 19. Mai 2023.
Das vorgeschlagene System behebt mehrere Einschränkungen, die mit herkömmlichen Co-Kultursystemen verbunden sind, in denen verschiedene Zelltypen nahe beieinander kultiviert werden.
„Wenn Zellen dreidimensional auf einem Gerüst wie einem normalen Hydrogel kultiviert werden, zieht sich das Gerüst auf dem Membraneinsatz, der sie trennt, zusammen, wenn die Zellen sich vermehren und funktionell differenzieren, was die Durchdringung von zellsekretierten Faktoren wie Proteinen und Exosomen hemmt und zu einem Rückgang der Funktionalität führt“, erklärt Prof. Otsuka. Eine weitere Herausforderung bei diesen Kulturen besteht darin, zwischen den spezifischen Rollen des Zell-zu-Zell-Kontakts über direkte physikalische Interaktionen und parakriner Signalgebung zu unterscheiden.
Um diese Herausforderungen zu bewältigen, entwarf das Forschungsteam ein dreidimensionales, getrenntes Co-Kulturmodell mit einer Wellplatte – einer rechteckigen Platte mit vielen getrennten Vertiefungen – bestehend aus zwei Zelltypen, die durch einen Membraneinsatz mit Silica-Vliesstoff (SNF), einem vernetzten Netzwerk aus hochporösem, elektrogesponnenem Gewebe, getrennt sind. In einem solchen getrennten System werden Zell-zu-Zell-Interaktionen durch direkten Kontakt eliminiert.
Darüber hinaus können die hohe mechanische Festigkeit und das vernetzte poröse Netzwerk von SNF das Zellwachstum fördern, ohne dass es zu einer Schrumpfung oder einem Rückgang der Zellfunktion kommt. Dadurch können Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Zelltypen über längere Zeiträume aufrechterhalten und untersucht werden.
Mithilfe des vorgeschlagenen Co-Kulturmodells kultivierten die Forscher primäre Hepatozyten von Ratten und normale menschliche Dermalfibroblasten in getrennten Kompartimenten, aber innerhalb derselben Kulturumgebung. Diese beiden Zelltypen kommen im Lebergewebe vor.
Hepatozyten sind für verschiedene Stoffwechselfunktionen verantwortlich, während Fibroblasten eine Art Bindegewebszelle sind, die an der Aufrechterhaltung der ECM beteiligt ist. Durch die Ko-Kultivierung dieser beiden Zelltypen konnte das Team die Wechselwirkungen zwischen ihnen sowie die Rolle der ECM bei der Zellsimulation untersuchen.
Die Forscher beobachteten eine deutliche Verbesserung der Zellfunktionen bei der Ko-Kultivierung von Zellen auf dem SNF-Gerüst. Die einzigartigen Eigenschaften von SNF machten es zu einem idealen Trägermaterial für die Untersuchung von Zell-Zell-Interaktionen über parakrine Signalgebung.
Während die hohe Porosität des neuartigen Gerüsts die Infiltration von Zellen in einer 3D-Kulturumgebung erleichterte, ermöglichte seine hohe Durchlässigkeit einen effizienten Austausch von Signalmolekülen (oder löslichen Faktoren) zwischen verschiedenen Zellarten.
„Angesichts unserer Erkenntnisse birgt die neue Technologie ein enormes Potenzial für neuartige Anwendungen wie Arzneimittelscreening, Tissue Engineering und regenerative Medizin“, schlussfolgert Prof. Otsuka.
Weitere Informationen:
Shohei Ishikawa et al., Dreidimensionales Co-Kulturmodell unter Verwendung von Silica-Vliesstoffen zur Verbesserung der Zell-zu-Zell-Kommunikation der parakrinen Signalübertragung zwischen Hepatozyten und Fibroblasten, Biotechnologie und Bioengineering (2023). DOI: 10.1002/bit.28425