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Aus vielen Zufällen wird ein Embryo
Wie entwickelt sich ein Embryo in seinem ganz frühen Stadium – und auf welche Weise entstehen dabei embryonale Stammzellen? Diese Frage elektrisiert den japanischen Forscher Takashi Hiiragi, der gemeinsam mit seinem Team am Max-Planck-Institut Münster in den vergangenen drei Jahren entscheidende Erkenntnisse über die einzelnen Schritte gewonnen hat. Die Wissenschaftler werden durch das Kompetenzwerk Stammzellforschung NRW gefördert: Es unterstützt drei junge Spitzenforscher fünf Jahre lang mit jeweils 1,25 Millionen Euro.
Es ist ein rätselhafter Vorgang, wenn ein Kind im Mutterleib heranwächst – egal, ob es sich um eine Maus oder um einen kleinen Menschen handelt: Bei Säugern fallen zukunftsweisende Entscheidungen ganz früh, das heißt in dem Moment, wenn aus Strukturen der inneren Zellmasse (ICM) in der so genannten Blastozyste ein Embryo wird. Die Blastozyste ist eine Vorstruktur, die es überhaupt erst möglich macht, dass sich das befruchtete Ei in der Gebärmutter einnistet. Doch was geschieht in ihr? Wie kommt es dazu, dass sich embryonale Stammzellen überhaupt bilden? „In den letzten zehn Jahren hat es eine intensive Debatte über die Mechanismen gegeben, die für das Wachsen und Werden der inneren Zellmasse sorgen“, sagt Takashi Hiiragi. „Mein Labor hat einen besonderen Beitrag dazu geleistet, ein entsprechendes Modell zu etablieren – auch wenn die molekularen Prozesse bei der Entfaltung der inneren Zellmasse immer noch weitgehend unbekannt sind.“
Der 42-jährige Zellbiologe aus Osaka forscht seit zehn Jahren in Deutschland, zunächst war er als Post-Doc in der entwicklungsbiologischen Abteilung des Max-Planck-Instituts (MPI) für Immunologie in Freiburg. Dorthin lockte ihn die Möglichkeit, mit seinem geschätzten Kollegen Prof. Davor Solter – damals Direktor des MPI Freiburg – zusammenzuarbeiten. „Dadurch lernte ich die exzellente Forschungsumgebung im Max-Planck-Institut kennen und entschloss mich, in Münster weiterzuarbeiten, als Davor Solter in Ruhestand ging und alle anderen Gruppenleiter seiner Abteilung inklusive mir das Institut verließen.“ Begleitet haben ihn bei seinen Untersuchungen die technischen Schwierigkeiten im Umgang mit den Forschungsobjekten, den Embryos – zum Beispiel, wenn es darum ging, ihre Entwicklung mithilfe eines speziellen Bildgebungsverfahrens vorsichtig zu beobachten. Dies ist laut Dr. Hiiragi erst in den letzten fünf Jahren möglich geworden: „Die neue Technik, die mein Labor eingeführt hat, hat unser Verständnis von den Vorgängen drastisch verändert.“ In vier wichtige Punkte fasst der japanische Biologe die neuen Erkenntnisse zusammen: „Als erstes hat sich gezeigt, dass die Entwicklung eines Maus-Embryos zur Blastozyste und zur inneren Zellmasse ein hochdynamischer Prozess ist. Dann haben wir herausgefunden, dass sich nichts Wichtiges über das zukünftige Schicksal des Embryos entscheidet, bis die endgültige Zellstruktur in der Blastozyste fest verankert ist. Vorher sind die Zellen in hohem Maße flexibel und haben viele regulative Möglichkeiten. Der dritte Punkt ist, dass mechanische Informationen, etwa über Zell-Zell Kontakte oder über die äußere Begrenzung durch eine Schutzhülle (Zona pellucida), – und nicht nur Gene oder Proteine – eine bedeutende Rolle bei der Formung des Embryos spielen. Schließlich wurde klar, dass eine ganze Reihe zufälliger Prozesse bei diesem Vorgang passieren. Diese führen zu einer Selbstorganisation der Zellen in einem bestimmten, strukturellen Kontext.“
Hiiragis Überzeugung ist, dass das geschilderte Prinzip die Embryo-Entwicklung besonders widerstandsfähig macht – obwohl er weiß, dass diese Meinung angesichts des stets gleich erscheinenden Prozesses der Morphogenese seltsam erscheinen mag. Deshalb muss die Idee bzw. das Modell jetzt mit molekularen Tatsachen unterfüttert werden. „Im Hinblick auf diese Beweise planen wir momentan unsere Projekte“, erklärt Takashi Hiiragi. In erster Linie gehe es darum, die besonderen Prinzipien in den frühen Entwicklungsstadien der Familie der Säugetiere zu durchschauen. Während dieser Forschungsarbeit empfindet Dr. Hiiragi sich selbst eher als Entwicklungsbiologe, möchte aber gerne einen Beitrag zur Stammzellforschung leisten. Seiner Meinung nach sollte die Entwicklungsbiologie die Basis für die Stammzellforschung sein: „Wenn deren Ergebnisse schließlich zur klinischen Anwendung kommen, geht es darum, den Menschen in seinem biologischen Kontext zu verstehen.“
Takashi Hiiragi sieht seine Arbeit als Teil einer langen Tradition – länger als ein Jahrhundert beschäftigen sich Forscher mit den Vorgängen innerhalb des Embryos während der Präimplantation. Der neue Zugang, den er mit seinem Team gefunden hat, besteht in der Live-Bildgebung sowie in der Systematisierung der Prozesse, die erstmals in einem Computer-Modell festgehalten wurden. Auf diese Weise geht Hiiragi seinem Interesse nach, neue Prinzipien herauszufinden, denen mechanische Prozesse unterliegen. Wie diese Prozesse vonstatten gehen, ließ sich nur dadurch feststellen, dass es dem Japaner und seinen Kollegen gelang, sie vierdimensional abzubilden. Dies bedeutet, dass mit Hilfe eines Laser-scanning Mikroskopes (LSM) 3 D-Aufnahmen von den sich entwickelnden Embryonen gemacht wurden, wobei die Zeit die vierte Dimension darstellte.
Die Erkenntnisse, die die Forschergruppe daraus zog, beziehen sich auf die einzigartige Struktur innerhalb von Säugetieren und ihrer Plazenta – deshalb lassen sich Ergebnisse aus anderen Versuchen mit Zebrafisch oder Drosophila-Fliege nicht damit vergleichen. Allerdings hofft Takashi Hiiragi seit jeher, seine Resultate und Einsichten in Bezug auf die Maus-Entwicklung und die Totipotenz der Zellen (die Möglichkeit, zu einem Individuum heranzuwachsen) später auf den Menschen übertragen zu können. „Je mehr ich jedoch über die Maus sowie nach und nach über die menschliche Entwicklung erfahre, umso mehr zweifle ich, ob das wirklich möglich ist. Es ist schockierend, die Unterschiede zu realisieren.“ Das zentrale Problem besteht aus seiner Sicht darin, dass das Wissen über die menschliche Entwicklung noch große Lücken aufweist. „Und ich bin überzeugt davon, dass dieser Engpass erst beseitigt werden muss, bevor wir eine klinische Anwendung als Folge der Stammzellforschung ernsthaft in Erwägung ziehen können.“
Mehr Informationen unter www.mpi-muenster.mpg.de