Eine Pause der biologischen Uhr könnte im Labor hergestellte Blutstammzellen fördern

Ein Forschungsteam hat herausgefunden, wann und warum Entzündungssignale die Bildung von Blutstammzellen in Embryonen beeinflussen, was die Bemühungen zur Entwicklung von im Labor gezüchteten, von Patienten stammenden Stammzelltransfusionen zur Behandlung von Blutkrankheiten unterstützen wird. Dieser vielversprechende Fortschritt in der regenerativen Medizin könnte die Notwendigkeit von Knochenmarktransplantationen beseitigen.

Wie Blutstammzellen gefördert werden

Vor zehn Jahren entdeckte Raquel Espin Palazon, dass Entzündungssignalwege eingeschaltet werden müssen, damit Embryonen Blutstammzellen produzieren können. Die neuesten Arbeiten aus ihrem Labor zeigen, wie wertvoll es sein kann, diese Signale nach ihrer ersten Aktivierung ausgeschaltet zu lassen. Die neue Forschungsarbeit eines Teams unter der Leitung von Espin Palazon und Clyde Campbell, Assistenzprofessoren für Genetik, Entwicklung und Zellbiologie an der Iowa State University, wird die Bemühungen zur Entwicklung von im Labor gezüchteten, von Patienten stammenden Blutstammzellen unterstützen. Der vielversprechende, aber noch in Arbeit befindliche Fortschritt in der regenerativen Medizin könnte die Notwendigkeit von Knochenmarktransplantationen zur Behandlung von Blutkrankheiten wie Leukämie, Lymphomen und Anämie durch Stammzellinjektionen überflüssig machen.

Das richtige Timing ist der Schlüssel zu den Ergebnissen, die in Nature Communications veröffentlicht wurden. Espin Palazons frühere Arbeit hat gezeigt, dass NF-kB – ein gut untersuchtes Netzwerk von Proteinen, das Anämie auslöst, die Reaktionen unseres Körpers auf Infektionen, Verletzungen und andere wahrgenommene Gefahren – für die Bildung von Blutstammzellen unerlässlich ist. Wenn man versteht, wann und warum Entzündungssignale auftreten, kann man den Prozess nachahmen.

Signale kommen in Wellen

Stammzellen sind die Quelle jeder neuen Zelle, durch die Organismen wachsen, sich reparieren und erneuern. Einige Stammzellen können jede Art von Zelle erzeugen, während andere spezialisiert sind. Die Hunderte von Milliarden neuer Blutzellen, die ein Mensch jeden Tag bildet, stammen von spezialisierten hämatopoetischen Stammzellen in unserem Knochenmark. Ein lebenslanger Vorrat an hämatopoetischen Stammzellen wird vor der Geburt im Embryo angelegt.

Espin Palazon und Campbells Forschungsgruppe arbeitet mit Zebrafischen, einem häufigen Untersuchungsobjekt in der medizinischen Forschung, da sie dem Menschen genetisch ähnlich sind und schnell entwickelnde Eier außerhalb ihres Körpers ablegen. Durch das Einfügen von fluoreszenzerzeugenden Reportergenen können Wissenschaftler ausgewählte Arten von Proteinen und Genexpression sichtbar zum Leuchten bringen. Das Team unter der Leitung des Iowa State University konnte die NF-kB-Expression in Zebrafischembryonen in Echtzeit mit einer Reporterlinie verfolgen, die nur kurz aufleuchtet, und fand heraus, dass die Entzündungssignale in zwei Wellen aktiviert werden. Das zweimalige Ein- und Ausschalten wirkt wie eine biologische Uhr, die einen Prozess koordiniert, bei dem einige der Gefäßzellen eines Embryos in Blutstammzellen umgewandelt werden.

Wenn die erste Welle nicht eintrifft, sind die Zellen nicht auf den Übergang vorbereitet. Wenn die zweite Welle nicht eintrifft, lösen sich die neu gebildeten Stammzellen nicht von den Blutgefäßen und können nicht in den Dienst gestellt werden. Zwischen den Wellen werden Blutstammzellen geboren und vermehren sich in bescheidenem Umfang. Wenn sich die zweite Welle jedoch verzögert, vermehren sie sich weiter, wie die Forscher herausfanden. Die Forscher hatten nicht erwartet, dass die Hemmung der Reaktivierungsphase die Produktion von Blutstammzellen ankurbeln könnte, sagte Campbell.

Einen Weg zu finden, um die Ausbeute potenziell zu erhöhen, ist faszinierend, da die bestehenden Methoden zur Kultivierung von Blutstammzellen nur wenige funktionelle Zellen hervorbringen, so Espin Palazon. Der Prozess beinhaltet die genetische Reprogrammierung reifer Zellen, damit sie sich wie die Alleskönner-Stammzellen verhalten, die in Embryonen reichlich vorhanden sind, und die anschließende Verwendung dieser induzierten pluripotenten Stammzellen zur Erzeugung von Blutstammzellen. Es sind weitere Studien erforderlich, um herauszufinden, wie die tieferen Einblicke in das Timing von Entzündungssignalen genutzt werden können, um die Protokolle zur Erzeugung von Blutstammzellen im Labor zu verbessern.

Zukünftige Forschung

Seit Jahren arbeiten Espin Palazon und Campbell mit den Forschern des Children’s Hospital of Philadelphia zusammen, das sich intensiv mit induzierten pluripotenten Stammzellen befasst. Die Forscher dort bestätigten, dass die NF-kB-Signalübertragung ähnliche Zeitmuster und Effekte bei Laborversuchen zur Herstellung menschlicher Blutstammzellen aufweist.Espin Palazon und Campbell erwarten, dass die Methoden und Erkenntnisse aus ihrer neuesten Arbeit auf die Untersuchung anderer Arten von Stammzellen, den Alterungsprozess und die Immuntherapie von Patienten zur Behandlung von Krebs übertragen werden können.

Wissenschaftler lernen immer mehr über die unterschiedlichen Funktionen von Entzündungssignalen im Laufe des Lebens.„Entzündungsnetzwerke sind notwendig, um Leben zu beginnen, sie halten uns am Leben, indem sie Infektionen und Viren bekämpfen, und können letztendlich unseren Tod verursachen“, sagte Campbell.