Pluripotente adulte Stammzellen treiben Regeneration bei Plattwürmern an

Eine Kolonie von cNeoblasten (dunkle Punkte) in einem bestrahlten Plattwurm (Daniel Wagner)
Eine Kolonie von cNeoblasten (dunkle Punkte) in einem bestrahlten Plattwurm (Daniel Wagner)

Weil man bei Tieren wie Eidechsen oder Seesternen die Regeneration von verlorenen Körperteilen beobachtet hatte, fragte man sich woher das neue Gewebe stammt. Im Fall des Plattwurms haben Wissenschaftler des Whitehead Institute bestimmt, dass die Quelle der außergewöhnlichen Regenerationskräfte dieses Tieres ein einziger pluripotenter Zelltyp ist.

Die meisten hochentwickelten Tiere, Säugetiere eingeschlossen, besitzen ein System spezialisierter Stammzellen. Beim Menschen haben wir Blutstammzellen in unserem Knochenmark, die zu Blut- und Immunzellen werden, Hautstammzellen, die neue Hautschichten produzieren und intestinale Stammzellen, die kontinuierlich die Schutzschichten unseres Darms erneuern, um nur einige zu nennen. Beim Menschen sind nur embryonale Stammzellen und Keimzellen pluripotent – mit der Fähigkeit, alle Zelltypen des Körpers herzustellen.

Im Plattwurm Schmidtea mediterranea wurden bestimmte sich teilende Zellen, Neoblasten genannt, vor langer Zeit schon als entscheidend für die Regeneration angesehen, die das Gewebe des Wurms repariert. Bis jetzt konnten die Wissenschaftler allerdings nicht bestimmen, ob Neoblasten eine Kreuzung aus spezialisierten Stammzellen repräsentieren, von denen jede spezifisches Gewebe regeneriert, oder ob sie pluripotent und in der Lage sind, alle Gewebetypen zu regenerieren.

“Und diese Frage ist zentral, um die Regeneration dieser Tiere zu verstehen”, sagt Whitehead Mitglied Peter Reddien, der auch Dozent für Biologie am MIT und Wissenschaftler am Howard Hughes Medical Institute (HHMI) ist. “Der Grund dafür, dass es nicht möglich war, dieser Frage nachzugehen ist, dass wir Proben brauchten, die uns erlauben, das regenerative Potenzial von einzelnen Zellen zu untersuchen.”

Durch Verwendung auf einander abgestimmter Methoden demonstrierten Reddien sowie Dan Wagner und Irving Wang, zwei Studenten im Reddien Laboratory und Mitautoren, dass erwachsene Plattwürmer nicht nur pluripotente Stammzellen besitzen – bekannt als clonogene Neoblasten (cNeoblasts) – sondern dass eine einzige dieser Zellen dazu fähig ist, ein komplettes Tier zu regenerieren. Ihre Ergebnisse wurden in der Ausgabe vom 13. Mai des Magazins Science veröffentlicht.

In einer Methode gab Wagner den Plattwürmern eine Strahlungsdosis, die alle ihrer sich teilenden Zellen abtötete, ausgenommen seltene, isolierte cNeoblasten. Durch Markierung von Zellen für ein Gen, das nur in Neoblasten aktiv ist, beobachtete Wagner, dass diese einzelnen überlebenden cNeoblasten sich teilten, um große Zellkolonien zu bilden. Wagner analysierte die Kolonien und fand heraus, dass sie Zellen enthielten, die sich in Neuronen und intestinale Zellen differenzierten, was auf ein breites Entwicklungspotenzial der cNeoblasten hindeutet. Außerdem zeigte Wagner, dass eine kleine Anzahl von cNeoblasten in der Lage war, kompletten Tieren wieder zu ihrem Regenerationspotenzial zu verhelfen.

Mit einer anderen Methode transplantierten Wang und Reddien einzelne cNeoblasten aus eines Stammes in tödlich bestrahlte Plattwürmer eines anderen Stammes, denen man ihre eigenen Neoblasten und die Fähigkeit zur Regeneration genommen hatte. Weil die gespendeten Zellen von denen des Tieres unterscheidbar waren, demonstrierten die Forscher, dass die transplantierten cNeoblasten sich vermehrt, differenziert und das gesamte Gewebe des Tieres ersetzt hatten. Aus einer einzigen transplantierten Zelle erhielt das Tier nicht nur seine Fähigkeit zur Regeneration zurück, sondern wurde auch in die genetische Identität des Geberstammes transformiert.

Weil diese Arbeit zeigte, das cNeoblasten in verschiedene Gewebetypen differenzieren und sogar das gesamte Gewebe in einem Plattwurm ersetzen können, waren die Forscher in der Lage schlusszufolgern, dass cNeoblasten pluripotente Stammzellen sind.

Weitere Studien von cNeoblasten könnten Wissenschaftlern dabei helfen zu verstehen, wie Stammzellen sich verhalten können, um Regeneration zu fördern.

“Dies ist ein Tier, welches das Regenerationsproblem schon im Lauf der Evolution gelöst hat”, sagt Wagner. “Wir erforschen Plattwürmer, um zu sehen, wie ihre Regenerationsprozesse arbeiten. Und eines Tages werden wir die entscheidenden Unterschiede zwischen dem untersuchen, was in diesem Tier möglich ist, und dem, was in einer Maus oder einem Menschen möglich ist.”

In naher Zukunft wird sich die Forschungsgruppe der Untersuchung der neuen Möglichkeiten widmen, die durch ihre Methoden eröffnet wurden.

“Einzelzellen-Transplantate haben eine Menge anderer Experimente angestoßen, die wir durchführen können”, sagt Wang. “Jetzt wo es möglich ist, einzelne cNeoblasten zu identifizieren und zu isolieren, können wir erforschen, was diese Zellen pluripotent macht.”

Diese Forschungsarbeit wurde von den National Institutes of Health (NIH) und der Keck Foundation unterstützt.

Quelle: http://www.wi.mit.edu/news/archives/2011/pr_0512b.html

(SOM)

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