Wissenschaftler liefern Metriken für die Organentwicklung

Organe im menschlichen Körper haben komplexe Netzwerke aus flüssigkeitsgefüllten Röhren und Schleifen. Sie haben unterschiedliche Formen und ihre dreidimensionalen Strukturen sind je nach Organ unterschiedlich miteinander verbunden. Während der Entwicklung eines Embryos entwickeln Organe ihre Form und Gewebearchitektur aus einer einfachen Gruppe von Zellen. Aufgrund fehlender Konzepte und Werkzeuge ist es schwierig zu verstehen, wie die Form und das komplexe Gewebenetzwerk während der Organentwicklung entstehen. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) und des MPI für Physik komplexer Systeme (MPI-PKS), beide in Dresden, haben jetzt erstmals Metriken für die Organentwicklung definiert sowie das Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie (IMP) in Wien. In ihrer Studie liefert das internationale Forscherteam die notwendigen Werkzeuge, um das Gebiet der Organoide – Miniaturorgane – in eine Ingenieursdisziplin zu verwandeln, um Modellsysteme für die menschliche Entwicklung zu entwickeln.

Das kollektive Zusammenspiel von Zellen führt während der Entwicklung zur Formung eines Organismus. Die verschiedenen Organe weisen unterschiedliche Geometrien und unterschiedlich verbundene dreidimensionale Strukturen auf, die die Funktion von flüssigkeitsgefüllten Schläuchen und Schleifen in Organen bestimmen. Ein Beispiel ist die verzweigte Netzwerkarchitektur der Niere, die die effiziente Blutfiltration unterstützt. Die Beobachtung der Embryonalentwicklung in einem lebenden System ist schwierig, weshalb es so wenige Konzepte gibt, die beschreiben, wie sich die Netzwerke aus flüssigkeitsgefüllten Röhren und Schleifen entwickeln. Während frühere Studien gezeigt haben, wie die Zellmechanik lokale Formänderungen während der Entwicklung eines Organismus induziert, ist nicht klar, wie die Konnektivität von Geweben entsteht. Durch die Kombination von Bildgebung und Theorie begann der Forscher Keisuke Ishihara, diese Frage zunächst in der Gruppe von Jan Brugues am MPI-CBG und MPI-PKS zu bearbeiten. Später setzte er seine Arbeit in der Gruppe von Elly Tanaka am IMP fort. Zusammen mit seinem Kollegen Arghyadip Mukherjee, ehemals Forscher in der Gruppe von Frank Jülicher am MPI-PKS, und Jan Brugués verwendete Keisuke Organoide aus embryonalen Stammzellen der Maus, die ein komplexes Netzwerk von Epithelien bilden, die Organe auskleiden und als Barriere fungieren .

Ich erinnere mich noch an den aufregenden Moment, als ich feststellte, dass sich einige Organoide in Gewebe mit mehreren Knospen verwandelt hatten, die wie eine Weintraube aussahen. Die Beschreibung der Veränderung der dreidimensionalen Architektur während der Entwicklung erwies sich jedoch als herausfordernd. Ich fand heraus, dass dieses organoide System erstaunliche innere Strukturen mit vielen Schleifen oder Passagen erzeugt, die einem Spielzeugball mit Löchern ähneln.“

Keisuke Ishihara, Forscher

Die Untersuchung der Gewebeentwicklung in Organoiden hat mehrere Vorteile: Sie können mit fortschrittlichen Mikroskopiemethoden beobachtet werden, wodurch dynamische Veränderungen tief im Gewebe sichtbar werden. Sie können in großer Zahl erzeugt werden und die Umgebung kann kontrolliert werden, um die Entwicklung zu beeinflussen. Die Forscher konnten die Form, Anzahl und Konnektivität des Epithels untersuchen. Sie verfolgten die Veränderungen in der inneren Struktur von Organoiden im Laufe der Zeit. Keisuke fährt fort: „Wir haben entdeckt, dass die Gewebekonnektivität aus zwei verschiedenen Prozessen hervorgeht: Entweder verschmelzen zwei separate Epithelien oder ein einzelnes Epithel verschmilzt selbst, indem es seine beiden Enden verschmilzt und dadurch eine Donut-förmige Schleife erzeugt.“ Die Forscher schlagen auf der Grundlage der Theorie der Epitheloberflächen vor, dass die Inflexibilität von Epithelien ein Schlüsselparameter ist, der die Epithelfusion und damit die Entwicklung der Gewebekonnektivität steuert.

Die Betreuer der Studie, Jan Brugues, Frank Jülicher und Elly Tanaka, kommen zu dem Schluss: „Wir hoffen, dass unsere Ergebnisse zu einer neuen Sicht auf komplexe Gewebearchitekturen und das Zusammenspiel von Form und Netzwerkkonnektivität in der Organentwicklung führen werden.“ Unser experimenteller und analytischer Rahmen werden der Organoiden-Gemeinschaft helfen, selbstorganisierende Gewebe zu charakterisieren und zu entwickeln, die menschliche Organe nachahmen. Indem sie aufzeigen, wie zelluläre Faktoren die Organentwicklung beeinflussen, können diese Ergebnisse auch für Entwicklungszellbiologen nützlich sein, die an Organisationsprinzipien interessiert sind.“