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Rüssel im Kulturgefäß

(16.12.2020) Kultiviert man embryonale Stamm­zellen in Gegenwart von Matrigel entstehen Strukturen, die echten Embryos nicht nur äußerlich frappierend ähneln.
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Neun Tage alter Mausembryo (links) und Rüssel-ähnliche Struktur (rechts). Das Neuralrohr ist pink gefärbt.

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In Gewebetieren fällt die erste lebens­wichtige Entscheidung während der Gastru­lation, bei der sich die drei Keimblätter als Basis für unter­schiedliche Gewebe und Organe bilden. Aus dem mittleren Keimblatt (Mesoderm) schnüren sich seitlich Somiten zu zwei Strängen ab, woraus später Chorda dorsalis und Neuralrohr werden.

Wer die Embryonal­entwicklung in der Petrischale erforschen will, startet meist mit embryonalen Stamm­zellen und erhält nach einigen Tagen sogenannte Gastruloide – dreidimen­sionale Zellhaufen, die unter geeigneten Kultur­bedingungen eine Embryo-ähnliche Selbst­organisation durch­laufen. In puncto Form kann jedoch von Embryo-ähnlich keine Rede sein, und auch sonst ist die Ähn­lichkeit nicht allzu groß.

Bernhard Herrmanns Team am Max-Planck-Institut für Molekulare Genetik in Berlin hat es jedoch geschafft, die Entwicklung von Maus­embryos mithilfe von Gastru­loiden sehr reali­tätsnah abzubilden. Die Gruppe kultiviert die Gastru­loiden hierzu in Gegenwart von fünf­prozentigem Matrigel, das die extrazelluläre Matrix nachahmt.

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Gut eingebettet

Das Matrigel dient den embryonalen Maus-Stamm­zellen in den ersten vier Tagen des Wachstums als Orientie­rungshilfe, mit der sie zwischen Innen und Außen unter­scheiden können. Gleichzeitig bettet es die wachsende Struktur ein und hält sekretierte Moleküle in der näheren Umgebung fest, die in gängigen Flüssig­medien unweigerlich wegdiffun­dieren würden. Dank der Stimuli aus Matrigel-Molekülen und selbst gebildeten Signal­stoffen entsteht eine Struktur, die mit ein bisschen Phantasie einem Embryo ähnelt und von den Autoren als „Rüssel“ bezeichnet wird.

Der Rüssel ist leicht gebogen, an seiner Spitze liegen neuro­mesodermale Vorläufer­zellen, aus denen sich ins Rüssel­innere hin das Neuralrohr, und nach außen hin Somiten absondern. Auf diesen hohen Grad der Selbst­organisation antworten die Zellen und ihre Umgebung: An der Kontakt­fläche von Matrigel und Rüssel reichert sich das Matrix-Protein Fibronektin an, wodurch Gene für Fibronektin-Binde­proteine aktiviert werden. Aus neuro­mesodermalen Vorläufer­zellen entstehen hierdurch Neural- oder Mesoderm­zellen, die dem Rhythmus einer echten Embryonal­entwicklung folgen.

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Der Beginn einer neuen Ära

Auch die Reaktionen der Rüssel-Strukturen auf äußere Einflüsse ähneln denen realer Embryos im Bauch der Maus. So führt etwa die Zugabe des Wnt-Agonisten CHIR99021 zur Aktivierung der WNT-Signal­leitung und fördert das Clustering der Somiten. Einzelzell-RNA-Sequen­zierung bestätigte, dass die Transkription im Rüssel dem echten Embryo-Vorbild folgt – im zeitlichen Verlauf und in der Intensität.

Mithilfe der Matrigel-Rüssel können Entwicklungs­biologen die Embryonal­entwicklung in der Maus über viele Tage hinweg direkt verfolgen, was im Tierexpe­riment nicht möglich ist. Herrmann spricht deshalb sogar von einer neuen Ära, die das Rüssel-Modell für die Erforschung der Embryonal­entwicklung einleitet.

Andrea Pitzschke

Veenvliet J. et al. (2020): Mouse embryonic stem cells self-organize into trunk-like structures with neural tube and somites. Science, 370(6522):eaba493

Bild: Jesse Veenvliet, Adriano Bolondi/MPI für molekulare Genetik


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Letzte Änderungen: 16.12.2020

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