Organoide zeigen, wie Signalzentrumszellen die frühe Entwicklung der Gliedmaßen beeinflussen

Einleitung

Während der Entwicklung und Regeneration eines Organismus ermöglichen Wechselwirkungen zwischen Stamm- oder Vorläuferzellen und einer kleinen Gruppe von Zellen, die gezielt Wachstumsfaktoren freisetzen, eine komplexe Morphogenese. Diese instruktiven Zellpopulationen, oft als Signalzentrumszellen bezeichnet, können das Verhalten und Schicksal der umliegenden Gewebe steuern. Wir haben gezeigt, dass Signalzentrumzellen für das Nachwachsen des Schwanzes [1] und der Gliedmaßen [2] von Froschlarven unerlässlich sind. Nach einer Amputation bilden diese sich erneut und koordinieren Wachstum und Musterbildung der neuen Gliedmaße. Außerdem konnten wir zeigen, dass die während der Regeneration aktiven Signalzentrumzellen dieselben sind, die bei der Entwicklung von Gliedmaßen bei Säugetieren auftreten [3]. Dies deutet darauf hin, dass Säugetiere zwar die genetische Information besitzen, um regenerative Zellen zu bilden, diese aber nach einer Verletzung nicht mehr aktivieren können.

Signalzentrumzellen lassen sich nur schwer untersuchen: Sie sind rar, nur kurzzeitig aktiv und liegen tief in komplexen Geweben versteckt. Wir haben daher ein in vitro-System entwickelt, das diese Zellen zuverlässig erzeugt. Damit können wir nun untersuchen, wie sie das benachbarte Mesoderm während der Gliedmaßenbildung beeinflussen.

Eine Methode zur Untersuchung von Signalzentrumzellen

Wir wollten mithilfe von embryonalen Mausstammzellen gezielt Signalzentrumzellen unter Laborbedingungen herstellen. Dank des Fortschritts in der Stammzellforschung können heute viele Zelltypen aus Stammzellen hergestellt werden – das macht Experimente skalierbar und reduziert die Abhängigkeit von Tierversuchen. Bei der Herstellung von Signalzentrumszellen erhielten wir unerwartet eine heterogene Mischung aus Signalzentrum-ähnlichen Zellen, Hautvorläuferzellen und frühem Gliedmaßen Mesoderm (Abb. 1 A, B). Das Auftreten dieser drei Populationen spiegelt die Zusammensetzung einer sich entwickelnden Gliedmaßenknospe wider.

Diese Zellen organisierten sich von selbst zu mehrschichtigen Kuppeln, die frühen Gliedmaßenknospen ähnelten. Dabei befanden sich die Signalzentren an der distalen Spitze einer sich ausdehnenden mesodermalen Masse. Dies deutete darauf hin, dass wichtige Aspekte der frühen Gliedmaßen Morphogenese unter kontrollierten Laborbedingungen spontan entstehen können.

Budoide: Bildung von Gliedmaßenknospen ähnlichen Strukturen

Um zu testen, ob sich die Zellen in drei Dimensionen selbst organisieren können, lösten wir die Zellpopulationen auf und ließen sie neu aggregieren. Die so entstandenen Kugeln verlängerten sich, nachdem sie kurz epidermalen Signalen ausgesetzt waren und wurden asymmetrisch. Da diese Strukturen die Kernmerkmale früher Gliedmaßenknospen reproduzieren, nennen wir sie Budoide. Wichtig ist, dass embryonale Gliedmaßenknospen, wenn sie dissoziiert und neu aggregiert wurden, vergleichbare Strukturen bildeten, was die biologische Relevanz unseres Stammzell-Modells unterstreicht.

Einzelzellanalysen zeigten, dass Budoide mesodermale Zellpopulationen enthalten, die für die frühe Gliedmaßenentwicklung charakteristisch sind und Msx1, Grem1, Fgf10 und sequenziell aktivierte Hox-Gene exprimieren. Mit zunehmender Reife entwickelten die Budoide zudem einen polarisierten Bereich aus Chondrozyten, der die frühe Knorpelbildung in vivo widerspiegelt.

Signalzentrumzellen steuern die Organisation von Gewebe

Um die Rollen der Signalzentrumszellen genau zu definieren, haben wir „rekombinante Budoide” aus Mesoderm und Signalzentrumzellen-ähnlichen Zellen oder Hautvorläuferzellen hergestellt (Abb. 2).

Wenn Mesoderm mit Signalzentrumzellen zusammengebracht wurde, entstanden längliche, polarisierte Gewebestrukturen. Die Signalzentrumzellen positionierten sich dabei an der äußersten Spitze (distal), hielten die benachbarten Mesoderm- und fibroblastenähnlichen Zellen in ihrem Zustand und unterdrückten lokal die Bildung von Knorpel. Gleichzeitig erlaubten sie auch weiter entfernte Knorpelbildung. Strukturen aus Mesoderm und Hautvorläuferzellen blieben hingegen kugelig mit deutlich reduzierter Knorpelbildung. Mesoderm allein produzierte Knorpel zeigten keine klare räumliche Organisation.

Diese Ergebnisse zeigen eine duale Rolle der Signalzentrumzellen: Sie beeinflussen lokal das Zellschicksal und koordinieren die weitreichende Musterbildung über die sich bildende Struktur hinweg.

Räumlichen Organisation kartieren

Mithilfe von quantitativer in situ Sequenzierung von mehr als 100 Entwicklungsgenen in unseren rekombinanten Budoiden konnten wir zwei konsistente Domänen beobachten: eine proximale, knorpelreiche Region und eine distale, signalaktive mesodermale Region. Rekombinante Budoide mit Signalzentrumzellen zeigten die stärkste reproduzierbare Trennung dieser Domänen. Selbst eine geringe Anzahl von Zellen des Signalzentrums reichte aus, um diese Organisation zu erzeugen - ein klares Zeichen dafür, dass sie eine zentrale Organisatorfunktion übernehmen.

Ausblick

Unsere Arbeit [4] bietet ein handhabbares und skalierbares Modell zur Untersuchung von Signalzentrumzellen, die bisher für systematische Studien in Embryonen oder regenerierenden Geweben nicht zugänglich waren. Das System ermöglicht gezielte Eingriffe, vergleichende Experimente und die Rekonstruktion entscheidender Wechselwirkungen während der Entwicklung.

Budoide könnten auch zur Erforschung von Teratogenen, angeborenen Gliedmaßen Missbildungen oder vergleichenden Entwicklungsstudien zwischen Arten beitragen – auch bei Organismen, die sich experimentell nur schwer untersuchen lassen.

Da Signalzentrumzellen sowohl für die Entwicklung der Gliedmaßen als auch die Regeneration bei Arten, die zur Regeneration fähig sind, von entscheidender Bedeutung sind, bietet ihre Herstellung in vitroeine einzigartige Methode, um konservierte Prinzipien der Formbildung zu entschlüsseln. Dies könnte eine wichtige Grundlage für Strategien zur Geweberegeneration bei Säugetieren liefern.

Literaturhinweise