Warum ist es, dass einige chronisch-entzündliche Darmerkrankungen, wie Morbus Crohn, beeinflussen sowohl den Dünndarm und den Dickdarm, während andere, wie Colitis ulcerosa beschränkt sich auf den Dickdarm? Zur Lösung der klinischen Rätsel, wie dieses, unter anderem, die Forscher von der Universität Würzburg erstellt Miniatur-Versionen von dem Verdauungstrakt in das Labor. Eine Ihrer Entdeckungen: der Verdauungstrakt enthält eine inhärente Segmentierung könnte, wirft ein neues Licht auf diese gemeinsamen entzündlichen Erkrankungen.
Wissenschaftler sind jetzt in der Lage zu generieren, die Miniatur-Versionen von praktisch jedem organ unseres Körpers, einschließlich der Haut, Gehirn und Darm. Diese drei-dimensionale Strukturen erzeugt werden, die aus Stammzellen und werden als “organoids.”
Mit einem Durchmesser von etwa 0,5 millimeter und die organoids möglicherweise nur die Größe des Korns von Senf, aber Sie zeigen eine Bemerkenswerte ähnlichkeit mit der echten Organe. “Trotz Ihrer winzigen Größe, organoids simulieren die Orgel aus der Sie abgeleitet werden extrem gut”, sagt Dr. Sina Bartfeld, wer führte die Studie am Research Center for Infectious Diseases ” am Institut für Molekulare Infektionsbiologie. “Organoids enthalten die gleichen Arten von Zellen, wie das echte organ. Die Stammzellen, aus denen die organoids generiert werden, enthalten eine Art pre-programmed Gewebe Identität. Die Stammzellen ‘weiß’, welches organ es geht ab und an sogar in der Kultur, die es produziert die Art von Zellen, die anwesend sind, in diesem organ in unserem Körper.” In Zusammenarbeit mit Chirurgen Armin Wiegering von der Universitätsklinik Würzburg, Dr. Bartfeld team generiert organoids von Magen, Dünndarm und Dickdarm. Sie entdeckten eine unerwartet hohe molekulare Komplexität, wie offenbart durch RNA-Sequenzierung, das spiegelt die gen-Aktivität der Zellen.
Einer Ihrer Befunde war, dass organoids aus den verschiedenen Segmenten des Verdauungstraktes Schalter auf spezifische gen-Programme, je nach Gewebe, Identität. “Es ist intuitiv, dass Magen-und Darm-Zellen die Produktion verschiedener Verdauungsenzyme—aber wir waren überrascht zu entdecken, dass bestimmte Bindungsstellen des Immunsystems sind auch ein Teil dieses Gewebes Identität”, sagt Bartfeld.
Die Besondere Organisation des immun-Bindungsstellen kann eine Rolle spielen, in der organ-spezifischen entzündlichen Erkrankungen. Es könnte auch relevant sein für die Entwicklung von Krebs, bei chronischen Entzündung wurde auch verwickelt. Ob dies der Fall ist und wie die Entzündung zur Krebsentstehung erfordert weitere Forschungen, für die organoids bilden eine neuartige basis.
Nicht nur können organoids erzeugt werden, schnell und in großen zahlen im Labor, Sie haben den zusätzlichen Vorteil, dass Sie bestehen aus menschlichem Gewebe und bilden eine annähernde Darstellung eines menschlichen Organs. Da gibt es erhebliche Unterschiede zwischen Menschen und Tieren, die organoids können dazu beitragen, Tierversuche und beleuchten, einzigartige menschliche Krankheiten. Sie spielen auch eine zunehmend wichtige Rolle in der Arzneimittel-Entwicklung.
Organoids zeigen die erstaunliche Organisation der Darm—auch in Bezug auf die Erkennung von Bakterien und Viren
Darüber hinaus organoids eröffnen ganz neue Möglichkeiten für die Erforschung grundlegender molekularer Vorgänge in einer biologisch realistischen Modell—wie das Verdauungssystem, das ist auch der Fokus von Dr. Bartfeld Forschungs-team in Würzburg. Die epithelialen Zellen, die unseren Verdauungstrakt eine wichtige Barriere-Funktion, die verhindert, dass Bakterien aus dem Eintritt in unsere Körper. Diese könnten Krankheitserreger wie Borreliose-Bakterien oder Viren.
Zur gleichen Zeit, der Darm ist besiedelt von Milliarden von nützlichen Bakterien, die sogenannte Darmflora, die uns helfen, Nahrung zu verdauen. Die epithelialen Zellen müssen also in der Lage sein zu spüren, sowohl freundliche und feindliche Bakterien oder Viren und angemessen zu reagieren. Dies geschieht über spezielle immun-Bindungsstellen, die sogenannten pattern-recognition-Rezeptoren.
Diese Rezeptoren erkennen bestimmte Moleküle produziert, die von den verschiedenen Bakterien im Darm. Wenn die epithelialen Zellen erkennen Moleküle von gefährlichen Erregern, als Gegensatz zum nützlichen Bakterien, Sie haben alarm-und induzieren eine Immunantwort. Bisher war es unklar, wie das Epithel ist in der Lage zu unterscheiden zwischen Freund und Feind. “Es ist extrem schwierig zu entwirren, die komplexe Wechselwirkung zwischen Zellen des Immunsystems, epitheliale Zellen und Mikroben”, sagt Dr. Bartfeld. “Aber seit unsere organoids enthalten nur in epithelialen Zellen, können wir Sie gezielt untersuchen, den Beitrag des Epithels in dieser Interaktion.”
Während Ihrer Studie, die Wissenschaftler haben entdeckt, dass jede pattern-recognition-rezeptor hat seine eigene, segment-spezifische gen-Aktivität Muster. “Der Magen so gut wie jedes segment des Darms hat seine eigenen spezifischen repertoire an pattern-recognition-Rezeptoren”, erläutert Özge Kayisoglu, ersten Autor der Studie. “So, die Immunantwort des Epithels ist Standort-spezifisch. Auf diese Weise wird der Magen reagiert auf verschiedene bakterielle Substanzen als der Dünndarm oder der Dickdarm.” Diese Unterschiede in der Immunantwort beitragen können, segment-spezifische Erkrankungen wie Colitis ulcerosa oder Morbus Crohn.
Was veranlasst diese differentielle Reaktion auf bakterielle verbindungen? Zunächst die naheliegende Vermutung war, dass die immun-Rezeptoren reguliert sind, in Erwiderung auf Besiedlung mit nützlichen Bakterien. Um diese Hypothese zu testen, haben die Forscher erzeugten organoids, die nie kommen in Kontakt mit Bakterien. “Die Daten zeigten, dass die mikrobiota einen Einfluss hätte—aber wir waren überrascht, zu finden, die zum großen Teil -, immun-Anerkennung des Epithels ist in der Tat genetisch bestimmt während der Entwicklung und die unabhängig von der Umgebung”, sagt Bartfeld.
