Wie Immunzellen ins Gewebe eindringen

Um dorthin zu gelangen, wo sie gebraucht werden, quetschen sich Immunzellen nicht nur durch winzige Poren. Sie überwinden sogar wandartige Barrieren dicht gepackter Zellen. Forscher des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) haben nun herausgefunden, dass die Zellteilung der Schlüssel zu ihrem Erfolg ist. Zusammen mit anderen neueren Studien wurden ihre Ergebnisse in veröffentlicht Wissenschaft geben das vollständige Bild eines Prozesses, der für die Heilung ebenso wichtig ist wie für die Ausbreitung von Krebs.

Stellen Sie sich eine Steinmauer auf dem Land vor. Dicht gepackt sitzt ein Stein auf dem anderen und füllt die kleinsten Lücken. Ein scheinbar unüberwindbares Hindernis. Auf ihrem Weg durch den Körper zur Bekämpfung von Infektionen begegnen Immunzellen solchen Barrieren in Form von zelldichtem Gewebe. Um ihre Aufgabe als Rettungsdienst des Körpers zu erfüllen, müssen sie einen Weg finden. In einer kürzlich durchgeführten Studie haben Wissenschaftler der Siekhaus-Gruppe des ISTA zusammen mit Mitarbeitern des European Molecular Biology Laboratory (EMBL) und drei Schülern einer örtlichen High School genau untersucht, wie dies in Fruchtfliegenembryos geschieht.

Während der Entwicklung dieser winzigen, durchsichtigen Tiere dringen Makrophagen, die dominierende Form von Immunzellen in Fruchtfliegen, in Gewebe ein. Mit High-End-Mikroskopen konnten die Wissenschaftler ihre Reise verfolgen. „Die Makrophagen kommen an der Wand an und suchen nach der richtigen Eintrittsstelle“, erklärt Maria Akhmanova, bis vor kurzem Postdoc in der Forschungsgruppe von Daria Siekhaus und Erstautorin der Studie.

Neue Wege gehen

Hinweise, die die Makrophagen leiten, haben sie an die richtige Stelle geleitet. Dort wartet der Pionier-Makrophag, der als erste Zelle einzieht. Plötzlich beginnt sich ein Teil der Wand zu bewegen. Die Zelle direkt vor dem Makrophagen rundet sich ab und bereitet sich auf die Teilung vor – ein normaler Teil ihres Zellzyklus. „Darauf hat der Pionier gewartet“, sagt Achmanowa. Die Pionierzelle bewegt sich nun mit ihrem Zellkern vorwärts, während alle anderen Makrophagen ihr folgen. Wie die Siekhaus-Gruppe ebenfalls kürzlich entdeckte, erhält der Pionier zum Durchbrechen einen zusätzlichen Energieschub durch einen komplexen Prozess, der von einem neu entdeckten Protein gesteuert wird, das die Wissenschaftler Atossa nennen. Darüber hinaus erfuhren die Wissenschaftler, dass die Makrophagen zum Schutz ihres empfindlichen Kerns vor Schäden einen Schutzpanzer aus Aktinfilamenten entwickeln.

Zellteilung entscheidend für den Erfolg

Durch gezieltes Hemmen, Verlangsamen und Beschleunigen der Teilung speziell der flankierenden Gewebezellen konnten die Forscher nun nachweisen, dass die entscheidende Komponente, die Immunzellen eindringen lässt, tatsächlich die umgebende Zellteilung ist. Während sie sich zur Vorbereitung auf die Teilung zusammenrundet, verliert die Gewebezelle an der Eintrittsstelle einige ihrer Verbindungspunkte zu ihrer Umgebung, wie die Forscher durch Live-Bildgebung beobachteten. In Zusammenarbeit mit dem Labor De Renzis am EMBL induzierten die Forscher auch künstlich Rundungen durch eine hochmoderne Technik, bei der Licht verwendet wurde, um genetische Veränderungen hervorzurufen. Dies reichte nicht aus, um die Makrophagen zum Eindringen zu bewegen. Aber die Menge der Zellverbindungen war genetisch reduziert. „Es war sehr spannend zu sehen, wie die Makrophagen erst dann in das Gewebe eindringen konnten, wenn die Gewebezelle ihre Verbindungen verlor“, sagt Akhmanowa.

Starke Implikationen für die Krebsforschung

„Die Zellteilung als Schlüsselprozess zur Steuerung der Makrophagen-Infiltration ist wirklich ein sehr elegantes Konzept mit starken Implikationen“, schwärmt Professorin Daria Siekhaus. Derselbe Mechanismus, der Makrophagen hilft, in Gewebe einzudringen, könnte auch für viele andere Arten von Immunzellen in Wirbeltieren wie Menschen essentiell sein. Langfristig sind die Wissenschaftler gespannt, ob die Manipulation der Verbindungen oder Teilungen der Gewebezellen dazu beitragen könnte, die Infiltration von Tumoren durch Immunzellen zu erhöhen, um sie von innen heraus zu bekämpfen, oder ob die Fähigkeit der Immunzellen, Gewebe während der Autoimmunität anzugreifen, verringert werden könnte. „Unsere Erkenntnisse werden auch jeden Forscher betreffen, der sich mit irgendeiner wandernden Zelle im Kontext des Körpers beschäftigt“, erklärt der Zellbiologe.

Für ihre Studie tauchte die theoretische Biophysikerin und Lise-Meitner-Stipendiatin Maria Akhmanova tief in die Welt der Mikroskopie ein. Mit Hilfe ihrer Mentorin Daria Siekhaus lernte sie alles über die faszinierenden und sehr hilfreichen Fruchtfliegen. Mit dabei waren auch drei Schüler des Gymnasiums Klosterneuburg. Bei einem Schulausflug in die Labore des Instituts entdeckten sie ihre Begeisterung für die Forschung. Folglich halfen sie Akhmanova beim Kreuzen und Identifizieren von Fruchtfliegen und schrieben sogar einen Algorithmus, um die Bildanalyse zu beschleunigen. „Der Erfolg dieses Forschungsprojekts wurde durch die gemeinsamen Kräfte vieler Wissenschaftler und die enorme Hilfe von drei motivierten Gymnasiasten ermöglicht!“ sagt Achmanova.