Stammzell-Organoide ahmen Aspekte der frühen Gliedmaßenentwicklung nach
Neue 3D-„Budoid“-Organoide zeigen, wie frühe Signalzentren die Bildung der Gliedmaßen steuern.
In einer Studie, die während seiner Zeit an der EPFL durchgeführt wurde, haben Can Aztekin, der jetzt eine Gruppe am Friedrich Miescher Laboratory leitet, und sein Team ein skalierbares 3D-Organoidmodell entwickelt. Dieses erfasst wichtige Merkmale der frühen Gliedmaßenentwicklung und zeigt auf wie ein spezialisiertes Signalzentrum sowohl die Zellidentität als auch die Gewebeorganisation beeinflusst.
Auf den Punkt gebracht
1. Die Untersuchung der apikalen ektodermalen Leiste“ (AER), eines vorübergehenden Signalzentrums, ist entscheidend, um besser zu verstehen, wie die Ausbildung von Gliedmaßen gesteuert wird.
2. Forschende haben einen neuartigen Typ dreidimensionaler Organoide entwickelt, sogenannte „Budoide“, die sich durch die Selbstorganisation von Zelltypen aus sich entwickelnden Gliedmaßen bilden.
3. Budoids weisen mehrere charakteristische Merkmale der frühen Gliedmaßenentwicklung auf, wie beispielsweise die ersten Anzeichen einer Symmetriebrechung – der Prozess, der zur Formung zukünftiger Gliedmaßen beiträgt – und die frühesten Stadien der Knorpelbildung.
4. Dieser neue Ansatz bietet ein ergänzendes Modellsystem, das den Einsatz von Versuchstieren reduziert und die Präzision der Experimente erhöht.
Während der frühen Entwicklung baut der Embryo die Organe des Körpers auf, indem er chemische Signale zwischen verschiedenen Zelltypen austauscht. Bei der Entwicklung der Gliedmaßen sendet ein dünnes Band aus Hautzellen an der Oberfläche der Gliedmaßen, das als „apikale ektodermale Leiste“ (AER) bezeichnet wird, Signale, die die darunter liegende Zellpopulation, wie beispielsweise das Mesoderm, beim Wachstum und bei der Bildung von Knochen, Knorpel und Bindegewebe steuern.
Die AER ist schwer zu untersuchen, da sie sich nur kurzzeitig im Embryo bildet und mehrere Arten von Signalmolekülen gleichzeitig absondert. Da es kompliziert ist, diese Wechselwirkungen in Embryonen zu untersuchen, greifen Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen häufig auf Organoide zurück. Organoide sind winzige, im Labor gezüchtete Organe, die Forscherenden eine kontrollierbare Möglichkeit bieten, das Verhalten und die Interaktion von Zellen bei der Gewebebildung zu untersuchen.
Die meisten Organoidmodelle, die sich mit Gliedmaßen befassen, haben sich bisher nur auf das Mesoderm konzentriert und dabei die AER und andere Hautzellen (Oberflächenektoderm), die die Bildung der Gliedmaßen steuern, außer Acht gelassen. „Ohne die Merkmale des Signalisierungszentrums des AER zu untersuchen, können Forschende allerdings nicht vollständig verstehen, wie die Schicksale von Gliedmaßenzellen koordiniert werden oder wie sich Gewebe im Körper positionieren und ihre Form annehmen“, sagt Aztekin.
Eine neue Struktur: Die Herstellung von „Budoiden“
In einer neuen Studie, die während seiner Zeit an der École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) abgeschlossen wurde, haben Aztekin und sein Team dreidimensionale Organoide – sogenannte „Budoide“ hergestellt. Diese „Budoide“ weisen mehrere Merkmale von sich entwickelnden Gliedmaßen auf, darunter die Symmetriebrechung (der erste Schritt zur Bildung von Gliedmaßen) und frühe Knorpelbildung.
Um die Budoids herzustellen, züchteten die Forschenden Mischkulturen aus embryonalen Stammzellen von Mäusen, die AER-ähnliche, Ektoderm- und Mesoderm-Populationen produzierten, also im Wesentlichen alle Zelltypen, die in sich entwickelnden Gliedmaßen zu finden sind. Als das Team diese Zellen aggregierte, organisierten sie sich selbst zu dreidimensionalen Strukturen und bildeten Budoids. Die Forscher nutzten dieses System dann, um zu untersuchen, wie AER-ähnliche Zellen die entstehende Organisation des Gewebes steuern.
Die Gruppe stellte Budoide her, indem sie gemischte Stammzellkulturen züchteten. Diese bildeten von selbst die wichtigsten Zelltypen der frühen Gliedmaßenentwicklung. Anschließend ließen sie die Zellen zu einfachen 3D-Strukturen zusammenwachsen. So konnten sie beobachten, wie das Gewebe erste gliedmaßenähnliche Formen annahm und wo sich Knorpel bildete. Sie untersuchten auch, wie AER-ähnliche Zellen diese Prozesse beeinflussen. Dazu zerlegten sie das System gezielt und setzten es wieder kontrolliert zusammen. Auf diese Weise erhielten sie ein klareres Bild davon, wie frühe Wachstumssignale die ersten Schritte der Gliedmaßenformung steuern.
Weiterreichende Auswirkungen und zukünftige Ausrichtungen
Budoide bieten ein praktisches System, um zu untersuchen, wie Signalzentren wie die AER die frühe Gewebebildung beeinflussen. Damit können Forschende bisher schwer zu untersuchende Aspekte der Embryonalentwicklung untersuchen, beispielsweise wie Zellen ihr Verhalten koordinieren, wie frühe Strukturen Gestalt annehmen und wie sich Knorpel zu bilden beginnt. Die Auswirkungen reichen über die Grundlagenforschung hinaus und könnten vielleicht sogar medizinische Anwendungen ermöglichen – etwa beim Modellieren angeborener Störungen, beim Testen von Chemikalien, die die Gliedmaßenentwicklung beeinträchtigen können, oder sogar zur Förderung der Regeneration.
„Budoide bieten eine ethisch verantwortungsvollere Alternative für die Untersuchung der Gliedmaßenentwicklung, einem Bereich, der traditionell stark auf Tierversuche zurückgegriffen hat“, sagt Aztekin.
„Da diese auf Stammzellen basierenden Methoden wichtige Merkmale embryonaler Gewebe reproduzieren, können nun viele Experimente, für die früher eine große Anzahl von Embryonen erforderlich waren, nun in kontrollierten Organoid-Systemen ohne Notwendigkeit für Tierversuche durchgeführt werden. Dies ermöglicht hochdurchsatzfähige, mechanistische Untersuchungen und trägt gleichzeitig zur Ersetzung und Reduzierung von Tierversuchen in der Entwicklungsbiologie bei..“
In der nächsten Projektphase werden die Forscher testen, ob sich ähnliche Strukturen auch aus Stammzellen anderer Arten herstellen lassen, was vergleichende Studien zur Gliedmaßenentwicklung im gesamten Tierreich ermöglichen würde – einschließlich des Menschen, bei dem frühe Entwicklungsstadien experimentell bisher unzugänglich sind.