Regeneration: Was ist das und wie funktioniert es?
Einige Teile unseres Körpers können sich nach einer Verletzung recht gut selbst heilen,wohingegen andere zu gar keinem eigenständigen Heilungsprozess in der Lage sind. Wir können sicherlich keinen kompletten Arm oder ein gesamtes Bein nachwachsen lassen,aber es gibt einige Tiere,welche in der Lage sind,komplette Körperteile nachwachsen bzw. regenerieren zu lassen. Was können wir also von diesen regenerationsfähigen Tieren lernen?
Salamander, Strudelwürmer und eine Reihe anderer Spezies können beschädigte oder fehlende Körperteile nachwachsen lassen. Das ist Regeneration.
Einige menschliche Organe, zum Beispiel Leber und Haut, können sich ebenfalls regenerieren, wenn sie beschädigt sind.
Regeneration kann mithilfe von pluripotenten oder gewebespezifischen Stammzellen auf viele verschiedene Arten geschehen. Teilweise läuft die Regeneration ganz ohne Stammzellen ab (z. B. die Regeneration von Zebrafisch-Herzen).
Die Untersuchung der Regeneration bei anderen Spezies wird uns helfen, zu verstehen, wie der menschliche Körper sich selbst heilt und repariert. Forscher können dann vielleicht Medikamente entwickeln, die die Regeneration fördern, um so dem menschlichen Körper zu einer umfassenderen Heilung zu verhelfen.
Forscher untersuchen viele Aspekte der Regeneration, von den Signalen, die regenerative Prozesse in Gang setzen, bis hin zu den Ursachen, warum Stammzellen beim Menschen nicht auf die gleiche Weise Gewebe regenerieren wie bei Salamandern.
Viele Wissenschaftler möchten verstehen, was Stammzellen dazu veranlasst, ein Blastem zu bilden, eine Ansammlung von Stammzellen an der Stelle der Gewebeschädigung.
Mithilfe von Studien an Tieren wie Salamandern versucht man herauszufinden, woher Stammzellen wissen, welche Teile des Körpers nachwachsen müssen und wo sich diese auf der „Landkarte“ des Körpers befinden – zwei Eigenschaften, die Stammzellen von Säugetieren nicht aufweisen.
Forscher möchten insbesondere verstehen, welche Signale Stammzellen „anschalten“, wenn Regeneration benötigt wird, und welche sie „ausschalten“, wenn sie nicht gebraucht werden.
Unter Regeneration versteht man das Nachwachsen von verletzten oder fehlenden Organteilen aus dem übriggebliebenen Gewebe. Menschen können im Erwachsenenalter ebenfalls einige Organe wie zum Beispiel die Leber regenerieren. Wenn Teile der Leber durch Krankheit oder Verletzung verloren gehen, wächst sie wieder auf ihre vorherige Größe, allerdings nicht wieder in ihre vorherige Form. Unsere Haut wird ebenfalls regelmäßig erneuert und repariert. Unglücklicherweise werden zahlreiche andere menschliche Gewebe nicht regeneriert und ein Ziel der regenerativen Medizin ist es, Wege zu finden, um die Regeneration von Geweben zu stimulieren und/oder Ersatzgewebe zu züchten.
Es gibt viele Tiere, welche voll funktionsfähige, identisch geformte und dabei sehr komplexe Körperteile nach Verletzung oder Amputation nachwachsen lassen können. Wirbellose Tiere (Tiere ohne Rückenmark) wie zum Beispiel der Plattwurm oder Strudelwurm können sowohl ihren Kopf aus einem Stück Schwanz, als auch ihren Schwanz aus einem Stück Kopf nachwachsen lassen. Unter den Wirbeltieren (Tiere mit Rückenmark) sind zum Beispiel Fische in der Lage, Teile des Gehirns, der Augen, der Nieren, des Herzens und der Flossen nachwachsen zu lassen. Frösche können ihre Gliedmaßen, Herz, Schwanz, Augengewebe, Nieren, Gehirn und Rückenmark während ihrer gesamten Lebenszeit regenerieren.
Wie lassen diese Tiere solch komplexe Strukturen nachwachsen? Nach einer Amputation sammeln sich Stammzellen an der Wunde, in einer Struktur, welche Blastem genannt wird. Ein sehr wichtiges Thema derzeitiger Stammzellforschung ist die Frage wie bestimmte Signale der Wunde die Stammzellen veranlassen, ein Blastem zu bilden und sich zu teilen um das fehlende Körperteil nachzubilden. Und was ist mit den Stammzellen selbst? Besitzen diese Tiere nur eine spezielle Art von Stammzellen innerhalb des Blastems, welche in der Lage sind in die vielen verschiedenen Gewebearten zu differenzieren (diese Zellen nennt man multipotente Stammzellen). Oder gibt es unterschiedliche Arten von Stammzellen, welche die jeweiligen unterschiedlichen Gewebe nachbilden können, die benötigt werden um das neue Körperteil nachzubilden?
Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen, dass verschiedene regenerationsfähige Tiere sehr unterschiedliche Strategien hinsichtlich ihrer Stammzellen besitzen um Körperteile zu regenerieren, welche aus unterschiedlichen Geweben, wie zum Beispiel Muskeln, Nerven und Haut bestehen. Falls wir in der Lage sein sollten, die Prinzipien und Moleküle, welche von diesen Tieren zur Geweberegeneration benutzt werden, zu verstehen, wäre es dann möglich, diese Strategien auf die Regeneration oder Konstruktion menschlichen Gewebes zu übertragen?
Die US amerikanische Forschungsgruppe des Wissenschaftlers Peter Reddin war kürzlich in der Lage die folgende langjährige Frage bezüglich der regenerativen Eigenschaften der Strudelwürmer (Plattwürmer) zu beantworten: Ist eine einzelne Stammzelle in der Lage ein komplettes Tier zu regenerieren? Die Antwort lautet: ja, ist sie. Dieser Umstand zeigt, dass erwachsene Strudelwürmer multipotente Stammzellen besitzen, das heißt Zellen, welche die Fähigkeit besitzen, ALLE möglichen Zelltypen dieses Tieren nachzubilden. Eine weitere sehr wichtige Frage, der derzeit zahlreiche Forschungsgruppen nachgehen, beschäftigt sich damit, wie diese Zellen im Körper des Plattwurmes kontrolliert werden um zu verhindern, dass diese Zellen einen Turmor bilden.
Aber nicht alle Tiere nutzen pluripotente Zellen zur Regeneration. Die Stammzellen, die den Schwanz eines Frosches oder das Körperglied eines Salamanders nachbilden, besitzen sehr unterschiedliche Eigenschaften verglichen mit denen eines Strudelwurmes. Die einzelnen Gewebe – wie Muskeln, Nerven oder Haut - dieser Tiere beherbergen spezielle Stammzellen, welche ausschließlich Zelltypen eines speziellen Gewebes bilden können. Vereinfacht ausgedrückt: Muskelstammzellen sind nicht in der Lage Haut zu bilden und Hautstammzellen können keine Muskelzellen bilden. Diese multipotenten gewebespezifischen Stammzellen sind möglicherweise sehr ähnlich zu denen in unserem Körper, welche einige unserer Gewebe wie zum Beispiel unsere Haut oder unsere Muskeln erneuern oder reparieren. Warum ist also diese Art von Stammzellen in der Lage ein komplettes Körperglied eines Salamanders nachzubilden aber innerhalb unseres Körpers nur befähigt Schaden eines einzelnen Gewebetyps zu reparieren? Dies ist eine andere Frage, die momentan von Wissenschaftlern erforscht wird.
Ähnlich wie im Falle der Stammzellen ist eine Regeneration auch möglich, indem bereits differenzierte Zellen, welche aufgehört haben sich zu teilen, „einen Entwicklungsschritt zurück machen“ und wieder beginnen sich zu teilen und zu vervielfältigen um das verloren gegangene Gewebe zu ersetzen. Dieser Vorgang konnte vor kurzen bei der Regeneration des Herzens im Zebrafisch gezeigt werden, dort ist eine Herzmuskelzelle, auch Kardiomyozyte genannt, in der Lage sich zu teilen und so das fehlende Herzgewebe zu komplettieren. Dieses Regenerationsphänomen findet man auch in den Herzen neugeborener Mäuse, welche diese Fähigkeit während des Reifungsprozesses jedoch schnell wieder verlieren. Weitere Forschung ist von Nöten um zu verstehen wie man differenzierte Zellen dazu bringen kann, sich erneut zu teilen und neues Herzgewebe zu produzieren und warum Menschen diese Fähigkeit nicht besitzen.
Durch das Bestimmen der Eigenschaften von Stammzellen, welche in der Lage sind, komplexe Körperteile zu regenerieren lernen die Wissenschaftler wie eine Verletzung eben diese Stammzellen dazu veranlasst, den fehlenden Teil zu regenerieren anstatt einfach nur Narbengewebe zu bilden. Zukünftige Forschung wird es vielleicht ermöglichen dieses Wissen in neuartige medizinische Behandlungen einfließen zulassen.
Pluripotente Stammzellen
Wie ähnlich sind die pluripotenten Stammzellen der Strudelwürmer verglichen mit embryonalen Stammzellen von Säugetieren oder induzierten pluripotenten Stammzellen? Durch das Studium der Strudelwürmer wird es uns vielleicht möglich sein, herauszufinden, wie man menschliche embryonale Stammzellen kontrolliert um Teile unseres Körpers zu ersetzen.
Gewebestammzellen
Salamander und Frösche bedienen sich Gewebestammzellen, welche ähnlich unserer eigenen sein könnten. Warum also können sie komplette Extremitäten formen während unsere Stammzellen nur Narbengewebe bilden? Aktuelle Forschung deutet darauf hin, dass regenerationsfähige Tiere eine Art von Landkarte in ihren ausgewachsenen Geweben beinhalten, die den Zellen verrät wo sie sich befinden und was sie tun sollen. Teile dieser Landkarte sind womöglich in Säugetieren verloren gegangen oder vielleicht haben auch einfach nur die Stammzellen die Fähigkeit verloren diese lesen zu können. Die Wissenschaftler hoffen herauszufinden, was genau fehlt bzw. blockiert ist in Säugetieren und ob diese Information wiederhergestellt werden kann um Stammzellen anzuweisen, an einer Regeneration im Rahmen einer medizinischen Anwendung teilzunehmen.
Differenzierte Zellen
Sind wir in der Lage, reife, differenzierte Zellen, wie zum Beispiel Herzmuskelzellen soweit anzuregen, dass sie wieder beginnen sich zu teilen wie sie es im Zebrafisch tun? Es wird wichtig sein, herauszubekommen, warum die Herzzellen von Säugetieren diese Fähigkeit verloren haben und ob es möglich ist eben diese wieder herzustellen.
Dieses Factsheet wurde von Elly Tanaka erstellt.
Abbildung des Strudelwurmes von Peter Reddien. Salamander Abbildung im rechten Panel von Orizatriz. Die übrigen Salamander Abbildungen und alle Diagramme von Elly Tanaka.