Podcasts about zellverband

Kleinkinder zeigen selbstloses Verhalten; Wie wirkt Lichttherapie?; Verschrotten oder Reparieren?; Milder Winter: Folgen für Tiere und Pflanzen; Suche nach einem Corona-Impfstoff; Minigehirne für die Forschung; Streit um Geoblocking in der EU; Warum erstarren Rehe im Scheinwerferlicht?; Moderation: Franz-Josef Hansel.

Einige sprechen von Minigehirnen, Forscher lieber von Organoiden. Es handelt sich um Zellverbände, die aus Stammzellen entstanden sind. In ihrem Inneren entstehen Signalwellen. Denken können sie nicht. Michael Lange kennt die Hintergründe. Von Michael Lange.

Es ist ein neues Gebiet der Biologie, mit dem man rechnen muss: Anstatt nur einzelne Bestandteile zu untersuchen, definiert die Systembiologie Zellen, Zellverbände und Organismen als integrierte und interagierende Netzwerke von Genen, Proteinen und biochemischen Reaktionen. Biologische Daten führen dabei oft zu einem mathematischen Modell, das wiederum durch Experimente überprüft wird. Auch an der LMU sind Biologen, Chemiker, Physiker, Mathematiker, Statistiker, Informatiker und andere Fachwissenschaftler biologischen Systemen auf der Spur.

Umwelt- und Arbeitsstoffe stellen wichtige Faktoren bei der Kanzerogenese im menschlichen Körper dar. In der vorliegenden Arbeit wurden einige Vertreter von Umweltstoffen ausgewählt und auf ihre kanzerogene Wirkung hin untersucht: N-Nitrosodiethylamin (NDEA) für die Nitrosamine, Natriumdichromat (Na2Cr2O7) für die Chromverbindungen, Mono(2-Ethylhexyl)-Phthalat (MEHP) für die Phthalate und Benzo[a]pyren-Diolepoxid (BPDE) für die polyzyklischen Kohlenwasserstoffe. Als Negativkontrolle diente Dimethylsulfoxid (DMSO) und als Positivkontrolle N-Methyl-N‘-Nitro-N-Nitrosoguanidin (MNNG). Da viele dieser Stoffe über die Atemwege aufgenommen werden, ist die Schleimhaut des oberen Aerodigestivtraktes besonders exponiert. Als Untersuchungsmaterial diente deshalb humane nasale Schleimhaut. Um möglichst lebensnahe Bedingungen zu schaffen, wurden aus dieser ca. 1mm3 große Miniorgane gewonnen, die über eine Woche kultiviert wurden, was zu einer vollständigen Epithelialisierung führte. Die im natürlichen Zellverband verbliebenen Zellen konnten daraufhin mehrmals mit Fremdstoffen inkubiert werden. Die dazwischenliegenden Zeitintervalle ließen Reparaturvorgänge zu. Die Schädigungsmuster von Miniorganzellen wurden auch mit denen von Einzelzellen verglichen, die vor der Inkubation separiert worden waren. Dabei wurden sowohl Einzelzellen aus Frischbiopsaten und als auch Einzelzellen aus Miniorganen nach 7-tägiger Kultivierung getestet. Zur quantitativen Schädigungsanalyse wurde die alkalische Einzelzell-Mikrogelelektrophorese (Comet Assay) angewandt, bei der es zu einer Wanderung von gelösten DNA-Bruchstücken im elektrischen Feld kommt. Diese Wanderung konnte durch anschließende Anfärbung unter dem Fluroszenzmikroskop sichtbar gemacht werden. Die Ergebnisse zeigten unterschiedliche Fragmentierungen der DNA nach einmaliger und dreimaliger Fremdstoffinkubation: Die DNA-Schädigungen der Miniorgane blieben nach ein- und dreimaliger Inkubation mit NDEA und MEHP auf gleichem Niveau. Dagegen traten bei jeder Inkubation mit Na2Cr2O7, BPDE und MNNG zunehmende DNA-Fragmentierungen auf. Die aus Frischbiopsaten gewonnenen Einzelzellen zeigten bei jeder der getesteten Substanzen eine erhöhte Empfindlichkeit. Der direkte Vergleich zwischen Einzelzellen und Miniorganen nach 7 Tagen ergab eine gleich hohe Schädigung für NDEA. Bei den anderen getesteten Stoffen wiesen die Einzelzellen höhere DNA-Fragmentierungen auf. Es konnte gezeigt werden, dass alle getesteten Stoffe Schädigungen an der Erbsubstanz in Form von Einzelstrangbrüchen hervorrufen. Im Vergleich zwischen Miniorganen und Einzelzellen wiesen Einzelzellen überwiegend eine höhere Empfindlichkeit gegenüber Fremdstoffen auf als die im epithelialen Strukturverband belassenen Zellen der Miniorgane. Das Miniorganmodell bot mehrfache Inkubationsmöglichkeiten und ließ so Reparaturphasen zu. Durch die Verwendung von Miniorgankulturen können lebensnahe Bedingungen geschaffen werden, die die Vorgänge im menschlichen Körper besser widerspiegeln als ein Einzelzellmodell. Die Verwendung von Miniorgankulturen eignet sich somit zur Untersuchung der metabolischen Kompetenz von Zellen und der DNA-Reparaturmechanismen. Dadurch kann die hier vorgestellte Methode zur Prävention von malignen Tumoren des oberen Aerodigestivtraktes einen wichtigen Beitrag leisten. Auch die hier erstmals in Verbindung mit Miniorganen eingesetzte alkalische Einzelzell-Mikrogelelektrophorese (Comet Assay) erwies sich als geeigneter Kurzzeittest zur Schädigungsanalyse. Das gezeigte Modell ermöglicht die Weiterentwicklung einer Screeningmethode für die Genotoxizität von Umweltstoffen unter Berücksichtigung individueller Empfindlichkeiten.

Fragestellung: Die klinische Herz-Xenotransplantation scheint aufgrund vielfältiger wissenschaftlicher Fort-schritte wahrscheinlicher zu werden, jedoch könnten präformierte natürliche Antikörper, die ohne vorausgegangene Sensibilisierung im Blut vorhanden sind und Antigene fremder Spezies erkennen, auch bei therapeutischer Bewältigung der initialen hyperakuten Abstoßungsreaktion zur anhaltenden Transplantatdysfunktion führen. Tage bis Wochen nach Antigenerstkontakt käme es im xenogenen System zusätzlich zur Bildung induzierter Antikörper, die gegen das Fremdgewebe gerichtet sind. Ziel der vorliegenden Arbeit ist, an spontan kontrahierenden Kardiomyozyten das Wirkungs-profil präformierter natürlicher Antikörpern im Vergleich mit induzierten Antikörpern (durch Verimpfung von Rattenherzgewebe oder Rattenherzzellen in Kaninchen gewonnen) zu unter-suchen. Methodik: Zu Kulturen spontan kontrahierender, neonataler Rattenkardiomyozyten werden Seren zuge-geben, die präformierte oder induzierte Antikörper enthalten (dialysierte, Elektrolyt-, pH-, thermoäquilibrierte, mit Medium verdünnte Seren). Im Vergleich zu den nativen Seren wer-den dieselben Seren nach Entfernung der xenoreaktiven Antikörper aus den Seren (messbar durch den Hämagglutinationstiter gegen Rattenerythrozyten) und/oder Inaktivierung der Komplementkomponenten untersucht. Zum Einsatz kommt einerseits humanes Serum mit ei-nem hohen Gehalt an präformierten xenoreaktiven Antikörpern; Spenderserum wird hierbei im Vergleich mit kommerziell erhältlichen Humanimmunglobulinpräparationen eingesetzt. Andererseits wird Serum mit einem hohen Gehalt an spezifischen induzierten Antikörpern gegen Rattenherzepitope in den Inkubationsexperimenten verwandt. Das Serum wurde nach Verimpfung von Rattenherzgewebe oder Rattenherzzellen in Kaninchen gewonnen. Die Kontraktionen werden über ein Phasenkontrastmikroskop mittels eines photoelektrischen Systems registriert und videotechnisch dokumentiert. Als Parameter der Kontraktilität dienen die Frequenz, Amplitude und Kontraktions-/Relaxationsgeschwindigkeit. Das Ausmaß der synzytialen Kopplung im Zellverband wird als Streuung der Kontraktionsfrequenzen (Variati-onskoeffizienten, Tests nach Hartley, Mann-Whitney und Cochran, Scatterdiagramme) ermit-telt. Als Zytotoxizitätsparameter werden der zelluläre Gehalt an Kalium und Protein sowie an energiereichen Phosphaten, die Trypanblauaufnahme und die elektronenmikroskopisch er-fassbare Ultrastruktur bestimmt. Der Nitritgehalt des Kulturüberstands als Endprodukt des Stickoxidmetabolismus fungiert als ein Maß für die Zellaktivierung. Ergebnisse: (1) Spontane Zellkontraktionen neonataler Rattenkardiomyozyten kommen nach Gabe von Seren mit präformierten natürlichen Antikörpern - einem stereotypen, reproduzierbaren Mus-ter eines geänderten Schlagverhaltens folgend - zu einem passageren Stillstand, der über eini-ge Minuten anhält und spontan reversibel ist. Die Kontraktionen bleiben anschließend über Stunden desynchronisiert in Gegenwart der präformierten natürlichen Antikörper im Sinne einer Entkopplung des funktionellen Synzytiums der Zellmonolayer; dabei bleiben die Kardi-omyozyten vital, jedoch kommt es zu einer Zellaktivierung, kenntlich an einer vermehrter zel-lulären Nitritproduktion. Absorption der spezifisch gegen Rattenepitope gerichteten xenoreak-tiven Antikörper, nicht aber Dekomplementierung der Seren verhindert die Desynchronisati-on. (2) Seren mit induzierten Antikörpern führen dagegen zeit- und konzentrationsabhängig zur Zytotoxizität bis zum Zelltod der neonatalen Rattenkardiomyozyten. Hierfür sind sowohl Komplementkomponenten als auch induzierte xenoreaktive Antikörper erforderlich. Schlussfolgerungen: Präformierte natürliche Antikörper könnten in vivo eine Dysfunktion xenogener Herztrans-plantate im Sinne einer fehlenden synzytialen Koordination der Kardiomyozyten auslösen. Induzierte Antikörper haben eine zytotoxische Wirkung, die die Zellintegrität gefährdet.

Das Endometrium stellt ein komplexes Gewebe dar, das sehr genauen Kontrollmechanismen unterliegt. Die zyklischen Veränderungen und damit auch die Vorbereitung auf die Implantation einer Blastozyste werden durch verschiedene Faktoren reguliert. Hierzu gehören endokrine Mechanismen, vermittelt durch die Steroidhormone Östradiol und Progesteron, die Abstimmung des Immunsystems und die Anpassung der Gefäßversorgung. So spielen sowohl eine Vielzahl an Zytokinen als auch Wachstumsfaktoren, wie zum Beispiel VEGF, eine entscheidende Rolle. Das Ziel unserer Untersuchung war eine genauere Betrachtung der Regulationsmechanismen im endometrialen Zellverband anhand von Zellkulturen, durch Immunhistochemie sowie durch Analyse des Uterussekretes. IL-6, ein gut bekanntes Phospho-Glykoprotein, wird im endometrialen Gewebe sowohl von Epithel- als auch von Stromzellen produziert. IL-6 erfüllt im menschlichen Organismus vielfältige Funktionen. Eine entscheidende Rolle scheint ihm bei Entstehung und Erhalt einer frühen Schwangerschaft zuzukommen. IL-6 zeigt ein typisches Verteilungsmuster im Menstruationszyklus mit niedrigen Spiegeln in der Proliferationsphase und einem deutlichen Anstieg in der Sekretionsphase. Bei den zyklischen Veränderungen des Endometriums ist die Revaskularisierung des Gewebes und deren Regulation durch VEGF ein entscheidender Prozess. VEGF existiert in fünf Isoformen, die durch alternatives Spleißen der mRNA entstehen. Es kann sowohl in Stroma- wie auch in Epithelzellen nachgewiesen werden. Im Vergleich zur Proliferationsphase tritt VEGF ebenso wie IL-6 verstärkt in der Sekretionsphase auf. Dieses Verhalten konnte von uns mit Hilfe der Immunhistochemie bestätigt werden. Im Uterussekret steigt die VEGF-Konzentration im Verlauf des Zyklus an. Diese Tatsachen legen eine Regulation von IL-6 und VEGF durch die Steroidhormone 17ß-Östradiol und Progesteron nahe. Das Verhalten von Interleukin-6 in Bezug auf die Stimulation durch die Steroidhormone 17ß-Östradiol und Progesteron wird in der Literatur widersprüchlich dargestellt. So wird zum einen die Erhöhung der IL-6-Konzentration in endometrialen Stroma- und Epithelzellen beschrieben, zum anderen deren Abfall. In den von uns angelegten Versuchen konnte keine statistisch signifikante Änderung von IL-6 durch Östradiol oder Progesteron festgestellt werden. Einige vorhergehende Studien legten die Regulation von VEGF durch Östradiol und Progesteron nahe. Jedoch scheint es keinen direkten Weg der Regulation durch diese Faktoren zu geben. Östrogen verstärkte den mitogenen Effekt von parallel applizierten Wachstumsfaktoren, Progesteron inhibierte diesen. In endometrialen Stroma- und Epithelzellkulturen wurde die Stimulation von VEGF durch Östrogen von anderen Autoren nachgewiesen. Diese Stimulation konnte von uns nicht bestätigt werden. Es stellt sich die Frage, ob eine indirekte Beeinflussung von VEGF durch andere auto- beziehungsweise parakrine Mechanismen vorliegt. Unser Ziel war es nun, die Regulation von IL-6 und VEGF durch andere Faktoren, wie beispielsweise Zytokine, zu untersuchen. IL-1ß erweist sich in diesem Zusammenhang als relevant. Es zeigt ein zyklisches Verhalten im Endometrium mit hohen Spiegeln in der Sekretionsphase zur Zeit der Implantation. Gleichzeitig steigt auch seine Serumkonzentration an. IL-1ß stimuliert IL-6 in endometrialen Stromazellkulturen, nicht jedoch in Epithelzellen. Eine Stimulation von VEGF durch IL-1ß konnte von uns nicht festgestellt werden. Ein weiterer bedeutender Faktor, der von uns genauer untersucht werden sollte, war LIF. LIF erfüllt breite biologische Funktionen, was die Vielzahl an Zielzellen im menschlichen Organismus verdeutlicht. Auch im Endometrium spielt LIF vor allem bei der Implantation eine entscheidende Rolle. Die von uns untersuchte Regulation von VEGF und IL-6 durch LIF erbrachte kein signifikant positives Ergebnis. So konnte eine Stimulation durch LIF weder in Stroma- noch in Epithelzellkulturen nachgewiesen werden. Des weiteren analysierten wir die Regulation von VEGF durch IL-6. Auch hier zeigte sich weder in den Stroma- noch in den Epithelzellkulturen eine statistisch erfassbare Veränderung. Unter verringerter Sauerstoffversorgung finden im Zellverband bestimmte Veränderungen statt, die eine optimale Anpassung an die veränderten Umweltbedingungen ermöglichen. Die Hypoxie erweist sich als relevanter Faktor für eine gesteigerte Produktion von Interleukin-6 in verschiedenen Zelltypen. Es wurde gezeigt, dass sowohl endometriale Stroma- als auch Epithelzellen auf ein verringertes Sauerstoffangebot im Sinne einer IL-6 Erhöhung reagieren. Auch VEGF wird in endometrialen Stroma- und Epithelzellkulturen durch eine Reduktion des Sauerstoffangebots induziert. Hierbei kann man eine deutlichere Steigerung von VEGF in Stroma- als in Epithelzellkulturen beobachten. Unsere Versuchsansätze an Zellkulturen, am Uterussekret und an Endometriumsschnitten haben einen Beitrag zum genaueren Verständnis der Regulationsmechanismen im endometrialen Zellverband geleistet. Die Komplexität der Abläufe jedoch erfordert weiterhin intensive Forschungsarbeit in vivo sowie in vitro, um einen vollständiges Bild des Endometriums zu vermitteln. In diesen Erkenntnissen liegt die Chance, Therapieansätze für einige Erkrankungen, wie zum Beispiel Endometriose oder auch Infertilität zu entwickeln.

Das Leukocyten-spezifische Integrin LFA-1 spielt eine wichtige Rolle bei der Immunantwort, durch die Vermittlung dynamischer Zell-Zell- bzw. Zell-Matrix-Interaktionen. Die kontrollierte Adhäsion bzw. Deadhäsion von Leukocyten bedarf einer spezifischen Regulation des LFA-1-Integrins und die Aufklärung der molekularen Grundlagen dieser Vorgänge ist von großem Interesse. Cytohesin-1 war unmittelbar vor Beginn dieser Arbeit als cytoplasmatischer Regulationsfaktor der durch LFA-1 vermittelten Zelladhäsion identifiziert worden und seine spezifische Interaktion mit der cytoplasmatischen Domäne von CD18 konnte in vitro dokumentiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit gelang es zunächst, die Assoziation von Cytohesin-1 und LFA-1 auch endogen, im intakten Zellverband, mittels Kolokalisationsstudien in der lymphoblastoiden B-Zellinie LCL-721, zu demonstrieren. Ferner konnte mit Hilfe von Mutationsanalysen die, für die Interaktion kritische Region in der cytoplasmatischen Domäne von CD18 lokalisiert werden. Sie befindet sich im aminoterminalen Bereich und umfaßt die Aminosäuren WKA(723 - 725). Die Mutation dieser Aminosäurereste nach TRG resultierte in einem vollständigen Interaktionsverlust mit Cytohesin-1. Die Inhibition der Cytohesin-1/CD18-Bindung konnte dabei sowohl durch Protein-Protein-Interaktionsanalysen in Hefe als auch durch biochemische Bindungsstudien in vitro dokumentiert werden, wobei jeweils Fusionsproteine der cytoplasmatischen Domäne von CD18 charakterisiert wurden. Funktionale Analysen der WKA(723-725)-Region von CD18 ergaben, daß die Mutation von WKA(723-725) nach TRG im intakten LFA-1-Molekül eine signifikante Reduktion der Integrin- Aktivität zur Folge hatte. Sowohl T-Zellklone als auch nicht hämatopoetische Zellen, wie HeLa, wiesen nach Expression von LFA-1(TRG), mit Hilfe rekombinanter Vaccinia- Viren, eine stark reduzierte Adhäsionsfähigkeit an immobilisiertes ICAM-1 auf. Ferner ergaben funktionale Studien mit HeLa-Zellen, die LFA-1 stabil exprimierten, daß Cytohesin-1 nur dann eine gesteigerte Adhäsion dieser Zellen an ICAM-1 induzierte, wenn sie Wildtyp-LFA-1 exprimierten. HeLa-Zellen, die LFA-1(TRG) exprimierten, ließen sich durch Cytohesin-1 zu keiner verstärkten Adhäsion aktivieren. Diese Ergebnisse demonstrierten die Bedeutsamkeit der Cytohesin-1/CD18-Interaktion für eine effiziente, durch LFA-1 vermittelte Zelladhäsion. Unklar war jedoch der Mechanismus, durch den Cytohesin-1 die Integrin/Liganden-Bindung regulierte. Studien mit dem Reporterantikörper 24 ließen darauf schließen, daß Cytohesin-1 durch die Bindung an CD18 eine Konformationsänderung in der extrazellulären Domäne des LFA-1-Integrins induzieren konnte, die möglicherweise die Affinität des Rezeptors modulierte. Diese Modulation der LFA-1-Konformation schien jedoch nicht hinreichend für eine stabile Bindung an ICAM-1 zu sein, wie eingehendere Analysen von Dr. W. Kolanus zeigten. Vielmehr erforderte eine effiziente Zelladhäsion zusätzlich die Guaninnukleotid-Austauschfunktion (GEF-Funktion) von Cytohesin-1, da die GEF-defekte Punktmutante, Cytohesin-1(E157K), nicht mehr in der Lage war, die Adhäsion von Jurkat E6-Zellen an ICAM-1 stabil zu induzieren. Biochemische Interaktionsstudien konnten dabei zeigen, daß die Mutante weiterhin fähig war, die cytoplasmatische Domäne von CD18 zu binden. Diese und weitere Ergebnisse von Dr. W. Nagel, die einen Zusammenhang zwischen der GEF-Funktion von Cytohesin-1 und dem „Spreading“ von adhärenten Jurkat E6-Zellen aufzeigten, legen die Vermutung nahe, daß Cytohesin-1 durch einen dualen Mechanismus in die LFA-1-Regulation involviert ist. Sowohl die direkte Interaktion von Cytohesin-1 und dem Integrin als auch seine GEF-Funktion stellen essentielle Faktoren für eine stabile Zelladhäsion, die durch LFA-1 vermittelt wird, dar. Welche funktionalen Mechanismen dabei durch den Guaninnukleotid-Austausch und der damit verbundenen Aktivierung einer GTPase induziert werden, ist noch unklar. Primär wäre eine Modulation des Aktin-Cytoskelettes und eine damit verbundene erhöhte laterale Mobilität der Integrine denkbar, die eine verstärkte Rezeptormultimerisierung und dadurch eine Aviditätsänderung des Integrins ermöglicht. Weitere Studien dieser Arbeit analysierten die Regulation von Cytohesin-1 selbst. Es konnte gezeigt werden, daß PI3-Kinase in die Kontrolle der Cytohesin-1-Funktion involviert war. Die Überexpression einer konstitutiv aktiven Form dieser Kinase (P110*) führte zu einer gesteigerten Adhäsion von Jurkat E6-Zellen an ICAM-1. Eine Inkubation dieser Zellen mit dem PI3-Kinase-spezifischen Inhibitor Wortmannin resultierte dagegen in einer signifikanten Reduktion der Zelladhäsion. Weitere funktionale Analysen, die die Zelladhäsion von Jurkat E6-Zellen nach Koexpression von P110* und der PH-Domäne von Cytohesin-1 untersuchten, sowie eingehendere Studien von Dr. W. Nagel, ermöglichten die Entwicklung eines Modells zur Regulation von Cytohesin- 1. Demzufolge führt die Aktivierung der PI3-Kinase zu einer verstärkten Rekrutierung von Cytohesin-1 an die Plasmamembran. Als Rekrutierungsmodul fungiert dabei die PHDomäne, die durch Bindung von PtdIns(3,4,5)P3, einem Produkt der PI3-Kinase, die Assoziation mit der Membran gewährleistet. Die Rekrutierung von Cytohesin-1 an die Plasmamembran führt zur Aktivierung von LFA-1 und der damit verbundenen stabilen Zelladhäsion an ICAM-1.