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Wie Beine nachwachsen

Der Verlust eines Körperteils ist bleibend – diese Regel beim Menschen gilt allerdings nicht für den Axolotl: Der skurrile Molch ist für seine Fähigkeit berühmt, verlorene Gliedmaßen wieder nachwachsen zu lassen. Nun haben Forscher wichtige Einblicke in die Grundlagen dieser geheimnisvollen Regenerationsfähigkeit gewonnen: Durch genetisch veränderte Versuchstiere konnten sie buchstäblich erhellen, welche Gewebe die stammzellartigen Eigenschaften entwickeln, die das Nachwachsen ermöglichen. Von den Ergebnissen könnte letztlich die moderne Regenerationsmedizin profitieren, sagen die Forscher.

Wie ist das möglich und warum klappt es nicht bei anderen Tieren einschließlich Menschen? Bereits seit einiger Zeit steht die faszinierende Regenerationsfähigkeit einiger Vertreter der Lurche im Fokus der Forschung. Vor allem der Axolotl (Ambystoma mexicanum), der in mexikanischen Seen vorkommt, avancierte in diesem Zusammenhang zu einem Modelltier. Einige seiner Geheimnisse konnten Wissenschaftler bereits aufdecken: Wenn ein Axolotl ein Bein verliert, häufen sich zunächst Zellen in der Nähe des entstandenen Stumpfes an – es bildet sich ein spezielles Gewebe, ein so genanntes Blastem. Aus diesem Gebilde entwickelt sich anschließend ein voll funktionsfähiges Bein, das wie sein Vorgänger aus vielen Geweben und Zelltypen wie Muskeln, Neuronen oder Bindegewebe besteht.

Welcher Erklärungsansatz stimmt?

Bis jetzt war allerdings unklar, wie aus ausgereiftem Gewebe die Gliedmaßen bildenden Blastem-Zellen hervorgehen können. Es gab dazu bisher zwei Erklärungsansätze: Zum einen könnte es schlummernde Stammzellen im Bindegewebe des Axolotls geben, die auf ihre Aktivierung warten. Der anderen Vermutung zufolge könnten ausgereifte Bindegewebszellen auf den Verlust von Gliedmaßen durch eine Rückentwicklung zu Extremitäten-Vorläuferzellen reagieren, ähnlich wie sie bei Embryonen vorkommen.

Um die richtige Erklärung zu identifizieren, hat ein internationales Forscherteam nun genetisch veränderte Axolotl-Zuchtlinien entwickelt. Die Bindegewebszellen dieser Tiere geben durch molekulare Markierungen Fluoreszenzlicht ab und lassen sich somit genau beobachten. Außerdem untersuchten die Wissenschaftler durch genetische Methoden die Aktivität bestimmter Erbanlagen in den relevanten Geweben des Axolotls. Auf diese Weise gelang es dem Team nun, den zutreffenden Erklärungsansatz zum Ursprung der Blastem-Vorläuferzellen aufzudecken.

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Bindegewebszellen werden zu Vorläuferzellen

Wie sie berichten, gibt es offenbar keine schlummernden Vorläuferzellen. „Wir können nun zeigen, dass es keine „magischen Zellen“ gibt, die Axolotls haben, Säugetiere aber nicht“, resümiert Co-Autor Prayag Murawala vom Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie in Wien. Den Ergebnissen zufolge entwickeln sich die Blastem-Vorläuferzellen stattdessen aus ausgereiften (differenzierten) Bindegewebszellen – aus sogenannten Fibroblasten. Wenn Gliedmaßen verloren gehen, dann „entdifferenzieren“ sich diese Zellen wieder zu Bindegewebs-Vorläuferzellen, erklären die Wissenschaftler. Sie ähneln dann tatsächlich erneut denjenigen, die man in embryonalen Gliedmaßen-Knospen findet.

Den Forschern zufolge haben die Ergebnisse eine große Bedeutung in doppelter Hinsicht: Sie beenden eine lange Debatte in der Entwicklungsbiologie und geben zudem wichtige Hinweise für die weitere Forschung und Regenerationsmedizin. Es ist in diesem Zusammenhang bereits bekannt, dass auch bei Säugetieren Fibroblasten auf Verletzungen durch Differenzierung reagieren. Sie wandeln sich allerdings „nur“ in sogenannte Myofibroblasten um, die dann Narbengewebe bilden. „Beide Lebensformen sind im Falle einer Verletzung auf Fibroblasten angewiesen, aber während Axolotl und Co Organe nachwachsen lassen können, bilden andere nur fibrotische Narben“, so Prayag. Somit rücken die aktuellen Ergebnisse nun die Frage ins Zentrum: Was genau unterscheidet die Säugetier-Fibroblasten von der Axolotl-Version, die dazu befähigt ist, Stammzelleigenschaften zu entwickeln und komplexe Körperteile zu ersetzen?

Die Suche nach der Antwort auf diese Frage repräsentiert nun das nächste Kapitel auf dem wissenschaftlichen Weg zum Verständnis regenerativer Fähigkeiten, sagen die Wissenschaftler. Konkret wird es künftig auch darum gehen, „herauszufinden, ob und wie eine Verletzung in ausgereiften Säugetierzellen ähnliche Veränderungen hervorrufen kann wie beim Axolotl“, sagt Co-Autorin Dunja Knapp vom DFG-Center for Regenerative Therapies Dresden.

Quelle: IMP – Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie, Science, doi: 10.1126/science.aaq0681

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