An der IST Austria hat man die koordinierenden Kräfte in der Ausbreitung von Geweben erforscht und einen universellen Mechanismus entdeckt. Dieser spielt eine wichtige Rolle in der physischen Entwicklung und Erkrankung von Menschen.
Über die Koordination der Bewegungen von Geweben und Zellen war bisher wenig bekannt. Die physikalischen Vorgänge tragen jedoch zum Verständnis der physischen Entwicklung des Menschen und Erkrankungen wie Tumorwachstum oder Wundheilung bei. So nimmt man zum Beispiel an, dass es durch eine mechanische Interaktion zu einem unterschiedlichen Tempo im Wachstum von gesunden und kranken Zellen kommt.
Jetzt wurde der Mechanismus von einem Forscherteam um Carl-Philipp Heisenberg, Professor am Institute for Science and Technology (IST Austria) enträtselt. Grundlegend war die Beobachtung der frühembryonalen Entwicklung des kleinen gestreiften Zebrafischs. Der Laborfisch lieferte bereits eine Reihe von entwicklungsbiologischen Erkenntnissen, die sich auf den Menschen übertragen lassen.
Koordinierende Kräfte
Der Embryo des Zebrafischs entwickelt sich aus einer einzigen großen Zelle, die auf einer Dotterzelle sitzt. Innerhalb von drei Tagen teilen sich die Zellen und die Gewebe bewegen sich, sodass der Fisch seine endgültige Form annimmt.
Im Fokus des Forschungsprojekts standen
- die Erzeugung der Kräfte, die für die Bewegung des Gewebes erforderlich sind;
- die Koordination der Bewegungen des Gewebes;
Der Neurobiologe Heisenberg forschte gemeinsam mit Erstautor und Postdoc Hitoshi Morita sowie Kollegen vom The Francis Crick Institute in London und vom Max Planck Institut für Physik komplexer Systeme in Dresden. Aus den eben in Developmental Cell publizierten Ergebnissen geht hervor, dass die Zellen an der Oberfläche eine wichtige Rolle für die Koordinierung der Bewegungen spielen.
Dazu Carl-Philipp Heisenberg: „Eine Verringerung der Oberflächenspannung in den Zellen an der Oberfläche des Embryos ist der zentrale Prozess, der die Bewegungen des Gewebes zu diesem Zeitpunkt koordiniert.“
Doming
Damit sich ein Gewebe ausbreiten kann, muss es sich ausdehnen und dünner werden. Beim Zebrafisch-Embryo wird dieser Mechanismus im sogenannten Doming transparent. Während des Domings wird das Zellgewebe (Blastoderm) dünner und dehnt sich über der Dotterzelle aus. Zwei Bewegungen sind involviert:
- die Zellschicht an der Oberfläche weitet sich aus;
- innere Zellen schieben sich ein, so dass sich die innere Zellmasse verdünnt und ausbreitet;
In einer Verbindung von Theorie und Experiment erklärten die Forscher den koordinierenden Mechanismus dieser zwei Bewegungen. Es zeigte sich, dass die Verringerung der Oberflächenspannung des Blastoderms zentral im Bewegungsprozess ist. Diese treibt gleichzeitig die Ausdehnung und die Verdünnung des Zellgewebes an und koordiniert diese beiden Prozesse miteinander.
Universeller Mechanismus
Mit diesem Befund trug das Forschungsteam wesentlich zum Verständnis der Gewebe-Ausbreitung bei. Dazu Erstautor Hitoshi Morita: „Wir enträtselten die krafterzeugenden Prozesse, die das Doming antreiben. (…) Eine koordinierte Ausbreitung von Gewebe ist ein universeller Mechanismus, durch den Embryonen ihre Form annehmen. Um die physikalische Basis der Embryonalentwicklung zu verstehen ist es essenziell, auch die kräfteerzeugenden Mechanismen zu verstehen.“
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