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Wie kann man ein Auge herstellen?

Die grundlegenden Mechanismen der 3D-Gewebebildung

27.11.2018

Skitterphoto; pixabay.com; CC0

Auge, Symbolbild

Wenn Sie ein Organ bauen wollen, z.B. für die Transplantation, müssen Sie in 3D denken.

Mit Hilfe von Stammzellen können Wissenschaftler seit einiger Zeit Teile von Organen im Labor züchten, aber das ist weit davon entfernt, ein tatsächliches, vollwertiges, funktionsfähiges, dreidimensionales Organ zu bauen.

Für Studierende der Regenerativen Medizin und der Entwicklungsbiologie ist es daher ein heiß diskutiertes Thema, zu verstehen, wie sich Zellen biegen und bewegen, um Organe und Körpergewebe zu bilden.

Und jetzt hat ein Team des Institute for Frontier Life and Medical Sciences der Universität Kyoto ein neues Verständnis dafür entwickelt, wie mechanisch beanspruchte Zellen die sphärische Struktur des Auges erzeugen.

Das Team hat festgestellt, dass einzelne Zellen zusammen eine primordiale, becherartige Struktur bilden - eine "optische Schale" -, indem sie mechanische Kräfte wahrnehmen, die durch die Verformung des gesamten Gewebes entstehen.

"In der Vergangenheit ist es uns gelungen, die Optikbecher herzustellen, indem wir embryonale Stammzellen - ES - züchteten. Um eine Kugel zu bilden, muss das Gewebe zuerst aus dem primordialen Hirngewebe herausragen und dann nach innen gelangen", erklärt Erstautor Satoru Okuda.

"Aber wie sich einzelne Zellen wahrnahmen und modulierten, um diese Form zu bilden, war unklar."

Das Team entwickelte eine Computersimulation, die die Bildung dreidimensionaler Gewebestrukturen berechnet. Mit diesem Wissen und bisherigen experimentellen Daten konstruierten sie ein virtuelles Vorläuferauge und konnten die Physik der kugelbildenden Zellen vorhersagen.

Ihre Ergebnisse zeigen, dass während der optischen Becherbildung ein Zelldifferenzierungsmuster erzeugt wird, das Zellen in die Becherform drückt und einen Teil der Zellen spontan in das Gewebe einfaltet. Diese durch die "Selbstbeugung" verursachte Kraft breitet sich in den Randbereich aus, in dem andere Zellen die Dehnung wahrnehmen.

"Die Kombination aus der Gewebedeformation und der Belastung an der Grenze der Optikpfanne erzeugt ein Scharnier, das die Biegezellen weiter antreibt", fährt Okuda fort und führt zu der becherartigen Struktur".

"Der nächste Schritt war, diese Vorhersage mit echten ES-Zellen zu überprüfen."

Unter Verwendung von Maus-ES-Zellen in der Kultur wandte das Team mechanische Belastungen an bestimmten Stellen an und war erfreut, die Kalziumreaktionen, das mechanische Feedback und die Zellformänderungen zu erkennen, die sie in den Simulationen vorhergesagt hatten.

Diese Ergebnisse zeigen eine neue Rolle für die mechanischen Kräfte bei der Organformung, die für die Bildung komplexer Gewebe, auch in einer Petrischale, entscheidend ist. Das Team wird diese Kräfte weiter untersuchen und versucht, den Bereich der regenerativen Medizin weiter voranzutreiben.

"Während unsere Forschung die Möglichkeit zeigt, die Formen von in vitro hergestellten Organen zu kontrollieren - unter Verwendung geeigneter mechanischer Stimulationen auf der Grundlage von Vorhersagen - sind die derzeitigen Techniken noch begrenzt", schließt der leitende Wissenschaftler Mototsugu Eiraku.

"Wir hoffen, die Vorhersagegenauigkeit unserer Simulationen zu verbessern und in Zukunft komplexere Gewebe und Organe wiederherzustellen."

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