Ein Forschungsprojekt unter der Leitung der IMC Fachhochschule Krems wurde erfolgreich abgeschlossen und stellt eine hervorragende Grundlage für weitere Projekte dar. Dem Team um Prof. Christoph Wiesner vom Institut für Biotechnologie ist es gelungen, spezielle Rezeptoren (Toll-like receptors, TLRs) auf Stammzellen genetisch so zu verändern, dass sie durch blaues Licht aktiviert werden können.
Mit solchen „optogenetischen“ Techniken könnten biologische Signalwege in Zellen präzise gesteuert, unter physiologisch relevanten Bedingungen validiert und Krankheitsmodelle generiert werden. Diese neuen optogenetischen Zelllinien werden zudem einen wertvollen Beitrag zum Verständnis von Krankheitsmechanismen und zur Entwicklung innovativer, gezielter Therapieansätze leisten.
Die Gruppe um Wiesner, Inhaber der Forschungsprofessur „Cellomics / High Content Screening“ am IMC Krems, beschäftigt sich seit mehreren Jahren mit der Optogenetik – einem jungen Forschungsgebiet, das sich mit der gezielten Steuerung von Zellen mittels Licht beschäftigt.
Ziel des nun erfolgreich abgeschlossenen Projektes war die Entwicklung neuer Stammzelllinien (MSCs, Mesenchymale Stromazellen), deren Rezeptoren durch den Einbau lichtempfindlicher Proteine genetisch so verändert wurden, dass sie durch blaues Licht aktiviert werden können.
Die Arbeit ist veröffentlicht im Journal Grenzen der Immunologie Und Internationale Zeitschrift für Molekularwissenschaften.
MSCs sind Alleskönner
„In unserem Projekt“, erklärt Prof. Wiesner, „arbeiteten wir mit sogenannten MSCs, also mesenchymalen Stromazellen. Das sind adulte Stammzellen, die in unterschiedlichen Geweben vorkommen und sich in unterschiedliche Zelltypen differenzieren können.“
MSCs kommen im Körper in zwei verschiedenen Zuständen (MSC1 und MSC2) vor, die unterschiedliche Funktionen haben: Die MSC1-Zellen wirken entzündungsfördernd, d. h. sie fördern Entzündungsreaktionen und unterstützen so das Immunsystem bei der Bekämpfung von Infektionen und Tumoren.
Die entzündungshemmenden MSC2-Zellen hingegen dämpfen Entzündungsreaktionen im Körper und sind daher bei chronischen Entzündungen, Autoimmunerkrankungen oder zur Förderung der Gewebereparatur nach Verletzungen nützlich. Es ist bekannt, dass alle MSCs auf ihrer Zelloberfläche spezielle Rezeptoren – TLRs – tragen, die bei Kontakt mit Krankheitserregern deren molekulares Muster erkennen und über nachfolgende Signalwege eine Immunantwort auslösen.
Allerdings sind die genauen Mechanismen, durch die die Aktivierung verschiedener TLRs zur Entwicklung der beiden MSC-Formen führt, noch immer unzureichend verstanden – eine Tatsache, mit der sich das Forschungsteam von Prof. Wiesner befasst hat.
Eine Frage der Regulierung
Basierend auf der Hypothese, dass MSCs je nach aktiviertem TLR-Typ und Stärke des Reizes unterschiedliche Funktionen übernehmen können (z. B. entzündungsfördernde und entzündungshemmende, antibakterielle oder regenerative Aufgaben), sollen transgene und optogenetische Ansätze helfen, die Mechanismen aufzuklären, die zur Polarisierung von MSCs in die beiden Formen MSC1 und MSC2 führen.
„Dazu haben wir lichtempfindliche Proteine in die TLRs eingebaut, so dass wir die Rezeptoren durch Licht an- und durch Dunkelheit wieder ausschalten konnten“, erklärt Prof. Wiesner.
Insbesondere zeigte sich, dass TLR4 und TLR10 nach Einbau in die Zelllinien leicht durch Licht kontrolliert werden konnten. Dass die optogenetischen Konstrukte einwandfrei funktionierten, bewiesen folgende Beobachtungen: Die Aktivierung von TLR4 führte zur Produktion entzündungsfördernder Moleküle, ähnlich wie bei einer bakteriellen Infektion, während die Aktivierung von TLR10 sowohl entzündungsfördernde als auch entzündungshemmende Moleküle regulierte.
Eine umfassende Analyse des Überstands der kultivierten MSC-Zelllinien ergab zahlreiche Proteine, die auf das regenerative Potenzial der Zellen und die beschleunigte Knochenzellbildung nach TLR10-Aktivierung hinweisen. Dies macht die neuen Zelllinien zu nützlichen Werkzeugen für die Untersuchung der Mechanismen der TLR4- und TLR10-Aktivierung und könnte neue Ansätze für therapeutische Strategien liefern.
Dass die neuen optogenetischen Zelllinien nicht nur in Einzelexperimenten getestet werden können, zeigt das ESPRIT-Projekt mit Anna Stierschneider, Senior Postdoc in der Forschungsgruppe von Christoph Wiesner, in dem miniaturisierte (0,2–0,5 mm groß), physiologisch relevante 3D heterotypische Zellmodelle in vitro etabliert werden.
Die optogenetischen Stammzellen werden in heterotypische Tumorzellen (kolorektales Adenokarzinom) integriert; 96 dieser miniaturisierten Tumoren werden parallel kultiviert und der optogenetische Ansatz auf sein antikarzinogenes Potenzial getestet. Erste Experimente sind vielversprechend.
Aus dem erfolgreich abgeschlossenen Projekt resultieren nicht nur diese publizierten Studien, sondern auch weitere Forschungsprojekte und wertvolle Kooperationen – darunter das Nachfolgeprojekt ESPRIT sowie ein Ausbildungsprogramm für DoktorandInnen (doc.funds), welches das IMC Krems gemeinsam mit der FH Krems und der MedUni Wien koordiniert.
Gemeinsam mit der ABS Biotechnology GmbH wurde ein GFF-Antrag eingereicht, um optogenetische Konstrukte in induzierbare pluripotente Zellen einzubringen und deren Auswirkungen auf Herzmyozyten und Makrophagen zu untersuchen.
In Zusammenarbeit mit der KL Krems und der UPEC-Universität (Paris) wird die Wirkung von TLR-aktivierten mesenchymalen Stammzellüberständen auf Neuronen und in Alzheimer-Krankheitsmodellen untersucht.
Weitere Informationen:
Anna Stierschneider et al., Aufklärung der molekularen und regulatorischen Mechanismen der TLR4-Signalgebung in Endothelzellen unter physiologischen und entzündlichen Bedingungen, Grenzen der Immunologie (2023). DOI: 10.3389/fimmu.2023.1264889
Katrin Colleselli et al, Ein Update zum Toll-like-Rezeptor 2, seiner Funktion und Dimerisierung in entzündungsfördernden und entzündungshemmenden Prozessen, Internationale Zeitschrift für Molekularwissenschaften (2023). DOI: 10.3390/ijms241512464