Mechanische Reize beeinflussen das Organwachstum maßgeblich

Mechanische Reize beeinflussen das Organwachstum maßgeblich

Neben chemischen Faktoren spielen mechanische Einflüsse eine wichtige Rolle beim natürlichen Wachstum menschlicher Organe wie Niere, Lunge und Brustdrüse – aber auch bei der Entstehung von Tumoren. Nun hat ein Forscherteam der Technischen Universität München (TUM) den Vorgang anhand von Organoiden, dreidimensionalen Modellsystemen solcher Organe, die im Labor hergestellt werden, im Detail untersucht.

Organoide sind dreidimensionale Systeme, die verschiedene menschliche Organe modellieren. Im Labor gezüchtet, weisen sie ähnliche Eigenschaften wie echtes Körpergewebe auf. Organoide bieten der Wissenschaft neue Möglichkeiten, die Prozesse des Organwachstums zu simulieren und zu untersuchen. Diese Prozesse konnten in den in der Vergangenheit verwendeten vereinfachten zweidimensionalen Modellsystemen nicht beobachtet werden.

Wissenschaftler der Technischen Universität München, des Helmholtz Zentrums München und der Ruhr-Universität Bochum haben anhand von Brustdrüsen-Organoiden zur Analyse der komplexen Interaktionen von Zellen mit umgebendem Gewebe gezeigt, dass das Wachstum des Drüsengewebes in der menschlichen Brust explizit beeinflusst wird durch die mechanischen Eigenschaften des umgebenden Kollagennetzwerks.

Integrierter dynamischer Entwicklungsprozess

Die vom Team gezüchteten Organoide bilden verzweigte Drüsengänge, deren Struktur und Organisation der menschlichen Brustdrüse sehr ähnlich sind. Während des Wachstumsprozesses dringen die einzelnen organoiden Äste in die umgebende Kollagenmatrix ein.

„Ausgehend von einer einzelnen Stammzelle bilden diese Organoide in nur 14 Tagen eine komplexe, verzweigte, dreidimensionale Struktur aus mehreren Tausend Zellen. Das ist absolut faszinierend“, sagt Andreas Bausch, Professor für Zelluläre Biophysik an der TU München und Leiter der Forschungsgruppe.

Das Forschungsteam nutzte über mehrere Tage zeitaufgelöste Mikroskopie an den wachsenden Strukturen und verfolgte erfolgreich den dynamischen Entwicklungsprozess im Detail. Sie entdeckten, dass das organoide Wachstum wesentlich von kollektiven Bewegungen der Zellen bestimmt wird.

Durch Expansion in Bewegungsrichtung und anschließende Kontraktion erzeugen die Zellen so starke Kräfte, dass sie die umgebende Kollagenmatrix verformen und es dem Organoid ermöglicht, die Richtung seines weiteren Wachstums selbstständig zu organisieren.

Mechanische Reize beeinflussen das Organwachstum maßgeblich

Stabiler Kollagenkäfig

„Dies wird durch die mechanische Plastizität des Kollagens ermöglicht“, sagt Benedikt Buchmann, Erstautor der Studie des Forscherteams. „Bewegen sich die einzelnen Zellen gemeinsam hin und her, erzeugen sie eine solche Spannung, dass die Zellen eines Astes die Kollagenmatrix verformen können.“

Der Gesamtprozess führt zur Bildung eines mechanisch stabilen Kollagenkäfigs, der letztendlich den wachsenden Zweig umgibt. Dieser Kollagenkäfig steuert dann die weitere Spannungserzeugung, das Wachstum der Äste und die plastische Verformung der Matrix.

Diese Erkenntnisse bilden die Grundlage für den Einsatz dieses Modellsystems, um komplexere Prozesse wie die ersten Schritte der Metastasierung oder die gegenseitige Interaktion mit anderen Zelltypen zu untersuchen. Ob dieser Selbstorganisationsmechanismus auch in anderen Organen vorkommt, ist derzeit intensiv erforscht.