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Medizin

Verlorene Froschbeine regeneriert

Der afrikanische Krallenfrosch diente den Forschern als Modell. (Bild: kazakovmaksim/iStock)

Fröschen geht es normalerweise wie uns: Verlorene Gliedmaßen wachsen bei ihnen nicht nach. Doch nun ist es Forschern gelungen, einen Regenerationsprozess bei erwachsenen Krallenfröschen auszulösen. Auf den Stumpf von amputierten Beinen setzten sie einen tragbaren Bioreaktor, der die Wunde 24 Stunden lang mit einem Elixier aus speziellen Wirkstoffen behandelte. Dies setzte eine 18-monatige Wachstumsphase in Gang, bei der die Frösche schließlich erneut ein fast vollständiges Bein mit Funktionsfähigkeiten hervorbrachten. Die Ergebnisse können der Entwicklung von Verfahren in der regenerativen Medizin zugutekommen, sagen die Forscher.

Millionen müssen sich mit dem Verlust abfinden und sind auf Prothesen angewiesen: Wenn der Mensch durch Krankheit oder einen Unfall eine Gliedmaße verliert, kann sie der Körper bekanntlich nicht nachwachsen lassen. Denn die Regenerationsfähigkeit beschränkt sich auf die Bildung von Narbengewebe über der Wunde. Bei Tieren ist dies ebenfalls die Regel. Ausnahmen legen allerdings nahe, dass es zumindest ein grundlegendes Potenzial zur Regeneration gibt: Einige Arten sind in der Lage, zumindest manche Gliedmaßen vollständig zu regenerieren, darunter Salamander, Seesterne, Krebse und Eidechsen. Das berühmteste Beispiel ist dabei wohl der Axolotl (Ambystoma mexicanum). Dieser Lurch besitzt eine erstaunlich ausgeprägte Fähigkeit, Gliedmaßen und Organe wiederherzustellen.

Bisher widmeten sich Wissenschaftler meist der Erforschung dieser tierischen Meister der Regenerationsfähigkeit. Das Team um Nirosha Murugan von der Tufts University in Medford geht hingegen der Frage nach, inwieweit es möglich ist, bei Tieren eine Neubildung von Gliedmaßen auszulösen, die dazu normalerweise nicht fähig sind. Als Modell dienen ihnen dazu erwachsene Krallenfrösche (Xenopus laevis). Für die Experimente wurde den Versuchstieren jeweils ein Hinterbein amputiert. Um die entstandene Wunde mit Testwirkstoffen behandeln zu können, hat das Team einen tragbaren Bioreaktor aus einem Silikon-Material mit Seidenproteinen entwickelt. Diese winzige Kappe bezeichnen sie als „BioDome“.

Ein funktionstüchtiges Bein wächst nach

Wie sie berichten, stellte sich im Rahmen ihrer Untersuchungen nun ein Cocktail aus fünf regenerationsfördernden Substanzen als erstaunlich erfolgreich heraus. Das Elixier wurde der Wunde durch den BioDome 24 Stunden lang verabreicht. Jeder Wirkstoff erfüllte dabei einen speziellen Zweck, erklären die Forscher: Entzündungsprozesse wurden gehemmt, die Produktion von narbenbildendem Kollagen heruntergefahren und das Wachstum von Nervenfasern, Blutgefäßen sowie Muskeln stimuliert. Das Resultat zeigte sich dann im Verlauf von 18 Monaten: Die Forscher stellten bei vielen der behandelten Frösche ein starkes Gewebewachstum fest, wodurch sie am Ende erneut ein fast vollständiges Bein hervorbrachten.

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Wie sich zeigte, wiesen die regenerierte Gliedmaßen eine Knochenstruktur auf, die der des ursprünglichen Beins ähnelte. Es bildeten sich auch zehenartige Strukturen aus, doch die Elemente am Ende der Froschbeine blieben unvollständig, räumen die Forscher ein. Prinzipiell entstand aber in einigen Fällen eine funktionstüchtige Gliedmaße samt Nervenstrukturen, berichten die Forscher: Die Beine bewegten sich, reagierten auf Berührungsreize und die Frösche waren in der Lage, sie beim Schwimmen einzusetzen. „Es war aufregend zu sehen, wie die von uns ausgewählten Wirkstoffe dazu beigetragen haben, eine fast vollständige Gliedmaße zu regenerieren“, so Murugan. Der Fünf-Wirkstoff-Cocktail stellt damit einen bedeutenden Fortschritt in dem Forschungsbereich dar, resümieren die Forscher.

Potenzial für die Regenerative Medizin

„Die Tatsache, dass es nur einer kurzen Exposition gegenüber den Wirkstoffen bedurfte, um einen monatelangen Regenerationsprozess in Gang zu setzen, deutet darauf hin, dass Frösche und vielleicht auch andere Tiere über schlummernde Regenerationsfähigkeiten verfügen, die in Gang gesetzt werden können“, sagt Murugan. Das Team fand bereits erste Hinweise darauf, welche Prozesse durch ihre Behandlungsstrategie ausgelöst worden waren: Durch molekulare Analysen stellten sie fest, dass innerhalb der ersten Tage nach der Behandlung eine Aktivierung bekannter Systeme eingesetzt hat, die normalerweise in einem sich entwickelnden Embryo ablaufen, um die Körperstrukturen hervorzubringen.

Die Ergebnisse geben somit auch Hoffnung für das langfristige Ziel, die Regenerationsfähigkeit beim Menschen zu verbessern. Auch dem Konzept des BioDome-Systems könnte dabei offenbar eine Bedeutung zukommen. „Bei Säugetieren sind Verletzungen normalerweise der Luft ausgesetzt oder kommen mit Substanzen in Berührung und es kann deshalb Tage bis Wochen dauern, bis sie sich mit Narbengewebe schließen“, sagt Co-Autor David Kaplan von der Tufts University. „Die Verwendung der BioDome-Kappe kann in den ersten 24 Stunden hingegen Bedingungen herstellen, die es zusammen mit den richtigen Medikamenten ermöglichen, dass der Wiederaufbauprozess ohne die Störung durch Narbengewebe abläuft.“

Die Wissenschaftler werden nun daran arbeiten, die Wirkstoff- und Wachstumsfaktorkombinationen zu optimieren, um die Regenerations-Resultate bei den Fröschen weiter zu verbessern. Darüber hinaus planen sie bereits, von den Amphibien auf Säugetiere überzugehen: „Wir werden testen, wie diese Behandlung bei Säugetieren angewendet werden könnte“, sagt Seniorautor Michael Levin von der Tufts University. „Die Abdeckung der offenen Wunde mit einer flüssigen Umgebung unter dem BioDome könnte mit dem richtigen Medikamentencocktail die notwendigen ersten Signale liefern, um Regenerationsprozesse in Gang zu setzen“, hofft der Wissenschaftler.

Quelle: Tufts University, Fachartikel: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.abj2164

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