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Wie Viren das wachsende Gehirn schädigen

Viren befallen unterschiedlichste Gewebestrukturen in unserem Körper und nutzen spezielle Proteine wie Türöffner, um ins Innere der Zelle zu gelangen und diese dann für ihre eigene Fortpflanzung zu „hacken“: Die Zelle produziert fortan nur noch andere Viren und keine eigenen Zellnachkommen. Während der menschlichen Gehirnentwicklung sind manche Vireninfektionen daher besonders kritisch – die Folge können schwere Fehlbildungen im Gehirn sein. Für werdende Mütter ist daher besondere Vorsicht vor Infektionserregern wie Toxoplasma gondii, Röteln-Viren, CMV, ZIKA-Viren und Herpes-simplex-Viren (HSV) geboten.

Bislang war es nicht möglich, den Einfluss bestimmter Viren auf die Gehirnentwicklung systematisch am Menschen zu untersuchen. Eine einzigartige Technologie, die weltweit erstmals am Institut für Molekulare Biotechnologie in Wien entwickelt wurde, erlaubt es nun, den Einfluss von Infektionen auf die menschliche Gehirnentwicklung neu zu beleuchten und innovative Therapien zu testen. Dies funktioniert an Gehirn-Organoiden, die aus menschlichen Stammzellen herangezüchtet werden. Diese können etwa aus einem kleinen Stück Haut oder einer Blutprobe gewonnen werden. Untersucht wurden aktuell ein Virenbefall durch ZIKA und das Herpes Simplex Virus. Diese wurden in der Petrischale „infiziert“, um den Einfluss der Erreger auf die Gehirnentwicklung zu studieren.

Die Organoide bieten auch ein ideales Modellsystem, um die Entwicklung neuer Therapien gegen Viren, die das menschliche Gehirn befallen, anzutreiben. Im Labor gelang es ForscherInnen bereits, Herpes infizierte Gehirn-Organoide durch die Gabe von Interferon Typ 1 vor Fehlbildungen zu schützen. In Zukunft soll eine Vielzahl weiterer Substanzen getestet werden und das Modell auch in der Krebsforschung eingesetzt werden.

Referenz:
IMBA Wien
Organoid modeling of Zika and Herpes Simplex Virus 1 infections reveals virus-specific responses leading to microcephaly; Cell Stem Cell 2021, https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1934590921001107

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Fresszellen bei Embryonen identifiziert

In einem vollständig entwickelten Menschen, Zebrafisch oder einer Maus ist es die Aufgabe von „Fresszellen“ (Makrophagen) des Immunsystems, abgestorbene Zellen zu beseitigen. Allerdings hat ein neu geformter Embryo noch kein Immunsystem, geschweige denn spezialisierte Fresszellen. Er besteht im Wesentlichen aus sich schnell teilenden Zellen. Die raschen Teilungsvorgänge machen ihn auch anfällig für Zellfehler, so die Forscher Verena Ruprecht und Stefan Wieser vom Barcelona Institute of Science and Technology.  Solche Fehler bei der Teilung sind wahrscheinlich der Hauptgrund, dass sich manche Embryos vor der Einpflanzung (Implantation) nicht richtig entwickeln, sowie für Fehlgeburten.

Das erste spezialisierte Gewebe, das sich in einem Embryo bildet, ist die Außenhaut (Epithel). Wie die Forscher nun herausfanden, sind es auch diese Zellen, die während des schnellen Wachstums die Aufgabe der Immunzellen übernehmen. Wie später die Makrophagen erkennen sie sterbende Zellen daran, dass diese einen Fettstoff (Phosphatidylserin) an der Außenseite präsentieren, anstatt ihn an der Innenseite der Zellmembran zu verstecken. Die Epithelzellen formen daraufhin Fortsätze an der Oberfläche und reichen die kaputten Zellen weiter, um die Beseitigung der sterbenden Zellen zu beschleunigen. Dann fressen sie diese schließlich so auf, wie es die spezialisierten Immunzellen später ebenfalls tun.

In Zukunft könnte man nach einer künstlichen Befruchtung die Außenseite der Embryos nach solchen Fressvorgängen untersuchen, meint Ruprecht. Da sie einen Hinweis auf mögliche Probleme geben: „Es wäre eine nicht-invasive Methode, um zu erkennen, ob in einem Embryo Zelltod stattgefunden hat, der wiederum ein Hinweis auf Zellfehler und Probleme bei der Zellteilung ist.“

Referenz: BIST
Pressemeldung Science APA, 29.3.2021; Embryo-Außenhaut erkennt und vernichtet sterbende Zellen; Cooperative epithelial phagocytosis enables error correction in the early embryo, Nature 2021; https://doi.org/10.1038/s41586-021-03200-3

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Was Gewebe „flüssig“ macht

Bei der Untersuchung von Zebrafischembryos beobachteten WissenschafterInnen am Institute of Science and Technology (IST) Austria eine abrupte und drastische Veränderung: Innerhalb weniger Minuten verflüssigt sich das relativ feste Gewebe. Was dazu führt, konnten sie jetzt in einer multidisziplinären Studie klären.  

Zebrafische haben einige Vorteile, die ihn zu einem der beliebtesten Modellorganismen von EntwicklungsbiologInnen wie Nicoletta Petridou (IST Austria) machen. Sie entwickeln sich innerhalb von Tagen und die Embryonen tun dies außerhalb ihrer Mütter und sind transparent – man kann den Organen also beim Wachsen zusehen. Dabei zeigt sich eine plötzliche Veränderung der Viskosität des Gewebes – im frühen Stadium ist das Gewebe sehr starr, aber plötzlich sinkt die Viskosität um das Zehnfache, das Gewebe verflüssigt sich und der Embryo verändert sich deutlich. Mittels eines Konzepts der Materialwissenschaft erkannte das Team, dass jede Zelle, die nur mehr mit vier Nachbarzellen verbunden war, eine ganz besondere Grenze markiert: ab dieser Zahl lockert sich der Zellverband – und das Gewebe wird „flüssig“.

Dieser Phasenübergang im Gewebe ist essentiell für die weitere Entwicklung des winzigen Fischembryos, scheint aber auch beim Wachstum von Krebszellen eine Rolle zu spielen. Neueste Studien zeigen, dass wenn ein Tumor metastasiert, sich das Gewebe ebenfalls abrupt von fest zu flüssig verändert. Das könnte Krebszellen dabei helfen, sich leichter zu bewegen. „Wenn man diesen kritischen Punkt ermitteln kann, eröffnet das Wege, ihn zu manipulieren“, so Petridou. „Wir haben noch nicht die Werkzeuge dafür, aber anstatt sich konzeptionell auf eine Vielzahl von Genen zu konzentrieren, die beim Krebswachstum eine Rolle spielen könnten, könnte man bei dem kritischen Punkt ansetzen, der die Gewebeveränderung auslöst.“

Referenz:
IST Austria
Rigidity percolation uncovers the structural basis of embryonic tissue phase transitions. Cell 2021;

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00167-7

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