In einer bemerkenswerten Studie, die im Nature Communications veröffentlicht haben Forscher von USC und Caltech die Rolle der Zelldichte bei der Gewebebildung untersucht. Diese Entdeckung könnte die Zukunft der regenerativen Medizin und der synthetischen Gewebezüchtung erheblich beeinflussen.
In einer bahnbrechenden Studie veröffentlicht In Nature Communications haben Wissenschaftler von USC Stem Cell und Caltech entscheidende Erkenntnisse darüber gewonnen, wie die Zelldichte die Bildung mehrzelliger Strukturen beeinflusst, und damit möglicherweise den Weg für Fortschritte in der synthetischen Gewebezüchtung und der regenerativen Medizin ebnen.
„Dieses Papier stellt einen Fortschritt in Richtung unseres großen Ziels dar, synthetisches Gewebe zu konstruieren“, sagte Leonardo Morsut, Assistenzprofessor für Stammzellbiologie und regenerative Medizin an der Keck School of Medicine der USC, der eine gemeinsame Anstellung in der Abteilung für Biomedizintechnik an der USC Viterbi School of Engineering hat, in einem Pressemitteilung„Synthetisches Gewebe könnte unzählige medizinische Anwendungsmöglichkeiten haben, vom Testen potenzieller Medikamente oder Therapien bis hin zur Bereitstellung von Transplantaten oder Transplantaten für Patienten.“
Die gemeinsame Forschung unter der Leitung von Morsut und Matthew Thomson, einem Assistenzprofessor für Computerbiologie am Caltech, konzentrierte sich auf die Auswirkungen der Zelldichte – im Wesentlichen wie dicht Zellen in einem bestimmten Raum gepackt sind – auf die Gewebebildung. Ihre Bemühungen kombinierten Computermodelle mit Laborexperimenten, um zu manipulieren, wie sich Mauszellen selbst zu komplexen Strukturen organisieren.
Mithilfe von zwei Arten gentechnisch veränderter Mauszellen, Bindegewebszellen und Stammzellen, setzte das Team ein synthetisches zelluläres Kommunikationssystem namens „synNotch“ ein, um diese Entwicklung zu steuern. SynNotch, ein in Zellen künstlich hergestelltes Protein, fungiert als Sensor, der als Reaktion auf externe Signale bestimmte Gene aktiviert.
Bei diesen Experimenten enthielt das Aktivierungssystem eine grüne Fluoreszenz, wodurch die Beobachtung und Manipulation zellulärer Muster einfacher wurde.
Eine unerwartete Beobachtung während der Experimente zeigte, dass die Zelldichte eine entscheidendere Rolle spielte als zunächst angenommen.
„Wir würden unterschiedliche Ergebnisse der Musterbildung sehen, wenn wir mit genetisch identischen Zellen in unterschiedlicher Anzahl beginnen würden“, fügte Morsut hinzu.
Diese Variabilität führte zu der Entdeckung, dass SynNotch oberhalb einer bestimmten Dichte nachließ und die Zellen nicht die erwarteten Muster bildeten. Diese Herausforderung wurde noch komplizierter durch die dynamische Natur der Zellvermehrung, die die Zelldichte ständig veränderte.
Co-Erstautor Pranav S. Bhamidipati übertrug dieses Rätsel auf den Computerbereich und entwickelte ein Modell zur Vorhersage und Aufklärung der komplexen Wechselwirkungen, die dabei im Spiel sind.
„Für mich war dies eines der ersten Male in meinem Leben, wo es mithilfe computergestützter Modellierung möglich war, Verhaltensweisen vorherzusagen, die dem ähneln, was tatsächlich in den Zellen passiert“, sagte Thomson in der Pressemitteilung.
Anhand dieser Vorhersagemodelle gelang es den Forschern, die Zelldichte zu manipulieren und so im Laufe der Zeit spezifische, vorhersagbare Fluoreszenzmuster zu erzeugen.
Der Durchbruch kam, als Co-Erstautor Josquin Courte entdeckte, dass eine höhere Zelldichte zu Stress führt, der den Abbau von Zelloberflächensensoren wie synNotch beschleunigt und damit zeigt, dass die Zelldichte den Zellaufbau weitgehend steuern kann.
„Die Natur hat sich auf die Zelldichte in Verbindung mit genetischen Schaltkreisen verlassen, um die bemerkenswerte Vielfalt mehrzelliger Strukturen, Gewebe und Organe zu erzeugen“, fügte Morsut hinzu. „Jetzt können wir dieselbe Strategie nutzen, um unsere Bemühungen voranzutreiben, synthetische mehrzellige Strukturen – und schließlich Gewebe und Organe – für die regenerative Medizin zu schaffen.“
Diese bahnbrechende Forschung unterstreicht die Bedeutung der Zelldichte in der Gewebezüchtung und stellt einen entscheidenden Fortschritt dar, der die Wissenschaft einen Schritt näher an die Revolutionierung medizinischer Behandlungen durch synthetisches Gewebe bringt.