Neue Technik könnte aussagekräftige Einblicke in die frühe Zelldifferenzierung liefern

Sperma trifft auf Ei und löst eine Kaskade von Ereignissen aus, die zur Entstehung eines Embryos führen. Aber wie entscheiden sich entwickelnde Zellen – die alle die gleiche genetische Information enthalten – was sie werden, wenn sie heranwachsen? Wie differenziert sich eine Zelle in Muskeln, Haut, Organe oder sogar neue Eizellen und Spermien?

Neue Forschungsergebnisse könnten Hinweise und überraschende Einblicke in die Entwicklung ursprünglicher Keimzellen liefern – der Zellen, die schließlich reifen, um die Fortpflanzung zu ermöglichen.

„Die Frage, wie Urkeimzellen im Menschen entstehen, ist schwer zu untersuchen, da es kein gutes experimentelles System gibt“, sagte Idse Heemskerk, Ph.D., Assistenzprofessorin in der Abteilung für Zell- und Entwicklungsbiologie.

Ein Großteil der bisherigen Forschung konzentrierte sich auf Tiermodelle, die unvollkommene Modelle für die menschliche Entwicklung sind. Alternative Studien mit Zellen in einer Schale hatten ebenfalls gemischte Ergebnisse. Solche In-vitro-Studien, erklärte Heemskerk, beginnen mit vom Menschen stammenden pluripotenten Stammzellen – Stammzellen, die so modifiziert wurden, dass sie embryonal werden und das inhärente Potenzial haben, jede Zelle im Körper zu erzeugen. Diese Zellen werden dann gezüchtet und über einen Zeitraum von Tagen beobachtet.

„Die Differenzierungsprozesse der Stammzellen werden jedoch schlecht kontrolliert, und Urkeimzellen könnten zu den schlimmeren gehören“, erklärte Heemskerk. „Die Ausbeute variiert stark von Zelllinie zu Zelllinie und von Experiment zu Experiment.“

In einem in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel eLife, Heemskerk, Research Fellow Kyoung Jo, Ph.D., und ihr Team beschreiben ein leistungsstarkes neues Modellsystem, das eine Technik namens Micropatterning verwendet, um dem Chaos etwas Kontrolle zu verleihen. Bei der Technik wird die Laborschale so modifiziert, dass Zellen nur an bestimmten Stellen haften bleiben. Dies führt zu einem besser organisierten Muster der Stammzelldifferenzierung.

„Wenn Sie die Anzahl der Stammzellen und ihre Anordnung kontrollieren, werden die Dinge, die sie tun, viel besser reproduzierbar, und wenn sie jedes Mal dasselbe tun, können Sie tatsächlich analysieren, was passiert“, sagte er.

In der mikrogemusterten Schale bilden pluripotente Stammzellen zuverlässig konzentrische Kreise verschiedener Zelltypen, die im menschlichen Embryo während eines Prozesses namens Gastrulation entstehen, erklärt Heemskerk. Die Zellen werden in drei Abstammungslinien des Körpers unterteilt: eine äußere Schicht, die zu Haut und Nerven wird, eine innere Schicht, die zu Darm und Organen wird, und eine dazwischen liegende Schicht, die Muskelknochen und Blut bildet. Auch in diesen neuen In-vitro-Modellen ist ein vierter Zelltyp sichtbar – die Urkeimzellen, die zu Fortpflanzungszellen werden.

Heemskerk erklärt, dass diese Zellen früher für Darmzellen gehalten wurden, weil sie bei Mäusen einen Marker exprimierten, der nur im Mausdarm zu finden ist. Darüber hinaus ermöglichte das Modell ihrem Team, auf methodische Weise festzustellen, warum sich Zellen so ausrichteten, wie sie waren. „Zellen senden einander Signale, um zu koordinieren, wer was tut … und wir haben Medikamente, um diese Signale zu blockieren und zu sehen, was passiert“, sagt Heemskerk.

Von einem solchen Signal namens BMP wurde angenommen, dass es eine Kaskade für die Entwicklung des Embryos auslöst, indem es ein anderes Signal namens WNT einschaltet, das wiederum ein anderes Signal namens Nodal aktiviert. Indem jeder Schritt dieser Kaskade blockiert wurde, konnte das Team identifizieren, dass Nodal und nicht WNT, wie allgemein angenommen, am wichtigsten für die Entwicklung von Urkeimzellen war.

Sie fanden auch heraus, dass sich Urkeimzellen immer in einem festen Abstand zum Rand der Schale entwickelten. Indem sie den mikrostrukturierten Bereich verkleinerten, konnten sie die Ausbeute an Keimzellen mehr als verdoppeln – eine entscheidende Entwicklung für Forscher, die an der Grundlagenforschung der Unfruchtbarkeit arbeiten.

„Wir versuchen, die Grundprinzipien der Entwicklung und die Signale zu verstehen, die die verschiedenen Zelltypen definieren“, sagte Heemskerk. „Wir haben jetzt ein System, mit dem wir besser untersuchen können, wie die menschliche Keimbahn entsteht.“