Eine neue Entdeckung von Forschern stellt unser derzeitiges Verständnis der Gastrulation, der wichtigsten Phase der frühen Embryonalentwicklung, in Frage.
Wenn sich die Zygote oder befruchtete Eizelle zu entwickeln beginnt, behält die sich bildende innere Zellmasse, ein Zellhaufen, der sich schließlich zum Individuum entwickelt, in den ersten Wochen ihr pluripotentes Stammzellpotenzial. Mit anderen Worten: Jede Zelle in diesem Cluster hat die Fähigkeit, ein völlig neues Individuum und alle Hunderte verschiedener Zelltypen zu bilden, die der menschliche Körper benötigt. Das Potenzial von Stammzelltherapien basiert auf dieser Pluripotenz früher embryonaler Stammzellen.
Die Gastrulation ist ein entscheidendes Stadium in der Embryonalentwicklung, in dem diese Pluripotenz verloren geht und die Keimschichten des Embryos (Ektoderm, Mesoderm und Endoderm) sowie die drei Körperachsen des sich entwickelnden Körpers (vorne und hinten, dorsal und ventral, links und rechts) zerstört werden gebildet. Tatsächlich wird die Gastrulation oft als die wichtigste Lebensphase bezeichnet, wobei ein großer Teil der frühen Fehlgeburten auf eine erfolglose Gastrulation zurückzuführen ist.
Forscher der Universität Helsinki und der National Institutes of Health (NIH) in den USA fanden heraus, dass das Ektoderm, eine der Keimschichten, seine Pluripotenz bei der Gastrulation doch nicht verliert. Es beantwortet auch die seit langem von Entwicklungsbiologen gestellte Frage, wie die Neuralleiste, die während der Embryonalentwicklung aus dem Ektoderm entsteht, über ein so außergewöhnlich hohes Stammzellpotenzial verfügt. Der Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.
Nach der Gastrulation entwickelt sich die Neuralleiste zu einer großen Anzahl von Zellen, die verschiedene Körperteile bilden. Zu den von der Neuralleiste abgeleiteten Geweben gehören unter anderem Pigmentzellen in der Haut, das gesamte periphere Nervensystem, die Knochen von Gesicht und Hals, Teile des Herzens und mehrere hormonproduzierende Zelltypen – in der Praxis Zelltypen deren Differenzierung aus einem einzelnen Keimblatt unmöglich sein sollte.
„Unsere Ergebnisse werfen ein neues Licht auf die Ereigniskette in der frühen Embryonalentwicklung. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Expressionsphase der Stammzellgene, die für die Produktion pluripotenter Stammzellen erforderlich sind, im gesamten Ektoderm fast bis zur Fertigstellung des Neuralrohrs, einem Vorläufer, andauert.“ zum Zentralnervensystem.
„Die Ergebnisse deuten auch auf eine viel höhere Plastizität im Prozess der Bestimmung des Zellschicksals im Ektoderm hin als bisher angenommen“, sagt Dr. Laura Kerosuo, Hauptforscherin der Forschungsgruppe, ehemalige Akademieforscherin an der Universität Helsinki und derzeit tätig der Leiter der Neural Crest Development and Disease Unit am NIH.
Eine hochauflösende Bildgebungstechnik, die in der Lage ist, einzelne Zellen zu analysieren, half den Forschern, die Ergebnisse aufzudecken.
Zuvor entwickelte die Forschungsgruppe diese Technik zur gleichzeitigen Analyse der Expression mehrerer Gene und modifizierte sie für diese Studie weiter, um die Position einzelner Stammzellen im Ektoderm in verschiedenen Entwicklungsstadien nach der Gastrulation zu überwachen.
„Mit dieser präzisen und effektiven Technik können Zellprofile vor Ort im Originalgewebe identifiziert werden. Die Technik kann auf jede Fragestellung angewendet werden, beispielsweise auf den Vergleich von krankem und gesundem Gewebe“, sagt Doktorandin Ceren Pajanoja von der Universität Helsinki.
Neurokristopathien oder Störungen, die von der Neuralleiste ausgehen, machen etwa ein Viertel aller angeborenen Entwicklungsstörungen aus. Die neuen Erkenntnisse aus dieser Studie helfen, die pathogenetischen Mechanismen von Neurokristopathien aufzudecken und die Gendefekte zu identifizieren, die sie bereits in der Frühschwangerschaft verursachen. Die Studie kann auch bei der Entwicklung alternativer Therapien helfen, die künftig beim Fötus während der Schwangerschaft angewendet werden könnten.
Zu den Krebsarten, die von der Neuralleiste ausgehen, gehören das Melanom und das Neuroblastom, eine oft tödlich verlaufende Erkrankung bei Säuglingen, die Dr. Kerosuos Forschungsgruppe auch aus der Perspektive der Neuralleistenentwicklung untersucht.
„Erst vor kurzem wurde erkannt, wie wichtig es ist, die normale Entwicklung des ursprünglichen Gewebes zu verstehen, um herauszufinden, was bei der Aktivierung des Krebses schief gelaufen ist“, sagt sie.
Darüber hinaus sind Techniken zur Differenzierung von aus der Neuralleiste stammenden Geweben aus Stammzellen vielversprechend für den Einsatz in zukünftigen Gewebeersatztherapien.
Mehr Informationen:
Ceren Pajanoja et al.: Die Aufrechterhaltung einer pluripotenzähnlichen Signatur im gesamten Ektoderm führt zu einem Potenzial für Stammzellen der Neuralleiste. Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-41384-6