Forscher haben einen wichtigen Durchbruch in der Züchtung komplexer Gewebe und Organe erzielt: Sie schufen das Vorstadium eines Auges im Labor. Völlig ohne formende Einflüsse von außen wandelte sich ein ungeordneter Klumpen embryonaler Stammzellen erst zu einer einwandigen Schicht, dann zu einem eingestülpten zweiwandigen Augenbecher, so berichten sie in „Nature“. Die Zellen differenzierten sich dabei bereits in die verschiedenen Zelltypen.
Trotz aller Fortschritte in der Biotechnologie und im Tissue Engineering: Wie sich komplexe und funktionsfähige Gewebe und Organe bilden, ist auch heute noch in weiten Teilen eine „Black Box“. Unklar ist beispielsweise, ob Signale von benachbarten Geweben die Organbildung steuern oder ob diese auch autonom, ohne äußere Kontrolle, aus undifferenzierten Vorläuferzellen entstehen können. Ein entscheidender Schritt zur Klärung dieser Frage ist jetzt einem japanischen Forscherteam gelungen.
Augenstammzellen in Nährlösung
Die Wissenschaftler um Mototsugu Eiraku und Yoshiki Sasai vom RIKEN Forschungszentrum und den Universitäten Kyoto und Osaka testeten im Labor, ob und wie sich embryonale Stammzellen von Mäusen zu einer mehrschichtigen Augenanlage differenzieren können. Dafür kultivierten sie die Vorläuferzellen von Augen in einer besonders entwickelten Nährlösung. Diese enthielt neben den üblicherweise zur In-vitro-Erzeugung von Geweben eingesetzten Medien auch ein so genanntes Matrigel mit extrazellulären Komponenten. Ein grün fluoreszierender Marker zeigte an, wenn für die Netzhautbildung und Augenzellen typische Gene ausgelesen wurden.
Spontane Organisation zu mehrschichtiger Struktur
Das überraschende Ergebnis: Innerhalb weniger Tage organisierten sich die Stammzellklumpen zu einer dreidimensional geschichteten Struktur, die sich zunächst nach außen, dann wieder nach innen einstülpte und so an die doppelwandige Augengrube eines Embryos erinnerte. Wie die Genmarker zeigten, begannen sich die Stammzellen dabei in die verschiedenen Augenzelltypen zu differenzieren: die äußeren Zellen bildeten Pigmente, die inneren eher Charakteristiken von Sinneszellen. Offensichtlich rekapitulierten die Stammzellen, völlig ohne äußere Kontrolle oder Steuerung, von selbst die Abläufe der Augenbildung im Embryo.
Diese Selbstorganisation ist umso erstaunlicher, als dass der ursprüngliche Klumpen von Stammzellen in keinster Weise in eine bestimmte Form gedrückt, gezogen oder sonstwie beeinflusst wurde. Stattdessen läuft in den Zellen offenbar ein ihnen eigenes Programm ab, das die Positionen und Entwicklungsschritte der einzelnen Zellen dirigiert.
Neue Ansätze für Züchtung von Organen
„Was wir in dieser Studie geschafft haben, ist die Lösung eines fast hundert Jahre alten Problems der Embryologie: Wir haben gezeigt, dass retinale Vorläuferzellen die inhärente Fähigkeit besitzen, die komplexen Strukturen des Augenbechers zu erzeugen“, erklärt Sasai. „Es ist aufregend zu bedenken, dass wir damit auf dem Weg sind, nicht nur differenzierte Zelltypen, sondern auch organisierte Gewebe aus embryonalen Stammzellen und Vorläuferzellen zu erzeugen. Das könnte auch für die regenerative Medizin neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnen.“ So könnten damit beispielsweise Ersatz-Netzhäute für Erblindete gezüchtet werden. (Nature, 2011; doi:10.1038/nature09941)
Video „Augen aus dem Reagenzglas“
(Nature/ RIKEN, 07.04.2011 – NPO)
