Heterogenität von Insulin-produzierenden Beta-Zellen

Die Farben des Regenbogens enthüllen den Werdegang von β-Zellen beim Zebrafisch

Mehrfarbige Bildgebung enthüllt den Werdegang von Zellen. Durch das Verfolgen der verschiedenen Entwicklungsstadien von Beta-Zellen (β-Zellen) beim Zebrafisch ließ sich ihre Heterogenität aufdecken.

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Nicht nur eine Seifenblase schillert in den Farben des Regenbogens. Auch die verschiedenen Stadien der Beta-Zellen, die unter dem Mikroskop beobachtet werden können, erscheinen in unterschiedlichen Farben. Das Bild erinnert daher ebenfalls an einen Regenbogen. Wissenschaftler vermuten, dass genau diese Heterogenität, diese Nicht-Einheitlichkeit der Zellen, beim Fortschreiten des Diabetes mellituts Typ 1, einer Autoimmunerkrankung, eine wichtige Rolle spielt. Der Ansatz könnte helfen, neue Therapien zum Schutz der Insulin-produzierenden Zellen in der Bauchspeicheldrüse zu entwickeln und so die Patienten besser vor gefährlichen Blutzuckerschwankungen wie Hyperglykämie oder Hypoglykämie zu schützen.

 

Die Ergebnisse der Studie wurden jüngst im wissenschaftlichen Journal Nature Communications veröffentlicht. Die Forschungsarbeit fand am DFG-Forschungszentrum für Regenerative Therapien Dresden (CRTD) und am Paul Langerhans Institut Dresden (PLID) statt. Hier wurde das „Beta bow“-System entwickelt, mit dem sich der Werdegang von Beta-Zellen verfolgen lässt. Mittels genetischem Barcoding werden Zellen sichtbar und durch eine mehrfarbige Bildgebung beobachtbar gemacht.

So lassen sich einzelne Zellen während der Entwicklung eines Organismus genau verfolgen. Es ist nun möglich, funktionale Unterschiede zwischen vermeintlich identischen Zellen aufzudecken. Diese Grundlagenforschung ist enorm wichtig, um die Eigenschaften hoch-regenerativer Zellen genau zu definieren. Nur so können sie später gezielt für zelluläre Therapien ausgewählt werden. Die Bildung unfähiger Zellen lässt sich so vermeiden. Diese würde nur die allgemeine Gesundheit des Organismus beeinträchtigen.

 

Insulin-produzierende Zellen im Zebrafisch ganz genau beobachtet

Für ihre Studie untersuchten die Dresdner Forscher die Beta-Zellen im Zebrafisch. Dieser Zelltyp kommt in der Bauchspeicheldrüse vor und ist dafür zuständig, den Blutzucker zu regulieren, indem bei einer erhöhten Glucosekonzentration im Blut Insulin freigesetzt wird. Beta-Zellen produzieren also das Insulin für den Zuckerabbau. Im Rahmen der Untersuchung wurden die Beta-Zellen unter den Gesichtspunkten Proliferation (Vermögen zur Zellteilung), Funktion und dem Zeitpunkt der Differenzierung verfolgt.

Die Ergebnisse zeigen, dass die existierenden Beta-Zellen nicht komplett einheitlich sind. Vielmehr existieren verschiedene Generationen nebeneinander. Diese Co-Existenz von Beta-Zellen von verschiedenen zeitlichen Abstammungen führt zur Bildung von dynamischen Subpopulationen, die sich bei den funktionellen Eigenschaften und dem Potenzial zur Proliferation unterscheiden. Erstmalig gelang es der Studie zu zeigen, zu welchem Zeitpunkt die Beta-Zellen beim Zebrafisch ihre Funktion zugewiesen bekommen. Langfristig wird dieses Modell sehr wahrscheinlich neue Wege aufzeigen, um letztlich untersuchen zu können, wie bei Beta-Zellen der Erwerb eines funktionalen Zustands abläuft.

 

Heterogenität der Beta-Zellen spielt beim Fortschreiten des Diabetes vermutlich eine große Rolle

Die Heterogenität der Beta-Zellen wird nunmehr als bewiesen betrachtet. Sie steht schon lange im Verdacht, beim Fortschreiten von Diabetes eine wichtige Rolle zu spielen. Selbst 20 Jahre nach der Diabetes Typ 1-Diagnose können einige wenige Beta-Zellen in der Bauchspeicheldrüse überleben. Sie müssen sich daher von anderen Beta-Zellen unterscheiden, um sich vor dem Immunsystem zu verstecken und so der Zerstörung durch die Immunzellen zu entkommen, denn Diabetes ist eine Autoimmunkrankheit, bei der das Immunsystem aus dem Ruder läuft und die eigenen Zellen attackiert und zerstört.

Die nun entwickelte Methode hat die Evolution der Heterogenität von Beta-Zellen im Zebrafisch sichtbar gemacht und so für ein besseres Verständnis der dynamischen Regulation von Beta-Zell-Subpopulationen auf molekularer Ebene. Diabetes-Patienten dürfen hoffen, dass mit diesem Wissen bessere Strategien zum Schutz und zur Regeneration der insulinproduzierenden Zellen entwickelt werden können.

 

Verständnis der Kommunikation mit den Zellen soll eine einfachere Kultivierung im Labor ermöglichen

Den nächsten Schritt haben die Wissenschaftler bereits klar vor Augen. Mit ihrer Methode zur Zellverfolgung möchten sie die Signale verstehen, die die Beta-Zellen anweisen, sich aus einer Stammzelle auszudifferenzieren und einen bestimmten Funktionszustand anzunehmen.

Das dauert im Zebrafisch nur wenige Tage. Möchten die Forscher jedoch funktionale Beta-Zellen aus menschlichen Stammzellen in der Petrischale nachbilden, ist es ein schwieriges Unterfangen. Die Dresdner Forscher vermuten daher, dass der lebende Organismus und damit die Bauchspeicheldrüse im Zebrafisch starke Signale aussendet und so einen schnellen funktionalen Reifeprozess initiiert. Genau diese Signale gilt es zu identifizieren, dann können auch funktionale humane Beta-Zellen im Labor für Transplantationszwecke kultiviert werden. Das würde für Diabetes-Patienten einen großen Schritt zurück zur Normalität bedeuten, denn eigene Beta-Zellen können am besten helfen, den Blutzucker zu regulieren und so gefährliche Spitzen wie Überzucker oder Unterzucker vermeiden.

 

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