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Developmental Biology • Evolutionary Biology • Genetics • Immunobiology • Medicine

Research report (imported) 2014 - Max Planck Institute of Immunobiology and Epigenetics

Ein neues Tiermodell für die Transplantation von Blutstammzellen

A new model for transplantation of blood stem cells

Authors

Hess, Isabell; Schorpp, Michael

Departments

Entwicklung des Immunsystems

Die Entwicklung des Thymus ist ein komplexer und dynamischer Prozess. Der Thymus steuert die Differenzierung und Reifung von Vorläuferzellen in sogenannte T-Lymphozyten. Fehler in diesem Prozess führen zu einer gestörten Immunabwehr; allerdings sind viele der für angeborene Immunschwäche verantwortlichen genetischen Veränderungen noch nicht bekannt. Die Forschungsarbeiten am Institut dienen deshalb der Aufklärung molekularer und zellulärer Mechanismen der Thymusentwicklung.

Thymopoiesis is a very complex and dynamic process. The thymus is important for the differentiation and maturation of progenitor cells into self-tolerant T-lymphocytes. Failures in thymus development or thymus function cause immunodeficiencies; however, many genetic lesions underlying these diseases are still unknown. At the institute, researchers aim at a better understanding of the molecular and cellular mechanisms of thymus development.

Die Schutzfunktion des Immunsystems

Das Immunsystem (von lateinisch immunis, unberührt, rein) stellt das biologische Abwehrsystem aller höheren Lebewesen gegen Krankheitserreger dar. Unterschieden wird dabei zwischen einer schnellen und unspezifischen und einer spezifischen, sich aber nur langsam im Verlaufe einer Infektion entwickelnden Abwehr. Der eigentliche evolutionäre Vorteil des spezifischen Abwehrsystems ist allerdings dessen Fähigkeit, ein immunologisches Gedächtnis auszubilden, was bei einer erneuten Infektion mit einem bereits bekannten Erreger eine gezielte und äußerst effektive Abwehr ermöglicht. Diese Fähigkeit des Immunsystems wird bei Impfungen ausgenutzt. Wichtiges Organ des Immunsystems ist der Thymus, den alle Wirbeltiere besitzen. Er hat die Aufgabe, aus Vorläuferzellen des blutbildenden Systems die für die Abwehr von Krankheitserregern notwendigen T (von Thymus)-Zellen zu bilden. Sie töten kranke Zellen entweder direkt ab oder kooperieren mit den antikörperbildenden Zellen des Immunsystems, um Parasiten zu inaktivieren.

Trotz jahrzehntelanger Forschung sind viele Eigenschaften des Immunsystems immer noch nicht verstanden; dies wird besonders dann auffällig, wenn es aufgrund angeborener oder erworbener Immunschwäche zu lebensbedrohlichen Infektionen oder Autoimmunkrankheiten kommt. In der Abteilung Entwicklung des Immunsystems wird deshalb an der Aufklärung grundlegender Mechanismen der Entwicklung und Funktion des Immunsystems gearbeitet.

Der Zebrabärbling als Modell zur Erforschung des Immunsystems

Ein für diese Forschung bedeutsames Tiermodell ist der Zebrabärbling (Danio rerio). Er gehört zur Familie der karpfenartigen Fische (Cyprinidae) und hat sich zum Studium der Entwicklung und Funktion von Wirbeltieren als sehr geeignet erwiesen [1]. Die außerhalb des Körpers stattfindende Befruchtung und die Durchsichtigkeit der Larven machen Lebend-Beobachtungen verschiedenster entwicklungsbiologischer Prozesse möglich. Durch gezielte genetische Veränderungen können Zebrabärblinge hergestellt werden, die beispielsweise eine gestörte Thymusentwicklung aufweisen. Die Identifizierung der betroffenen Gene trägt zu einem besseren Verständnis der Entwicklung und Funktion des Immunsystems bei und kann helfen, ähnliche Störungen beim Menschen zu erkennen. In Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen und der Artemis GmbH konnten in der Abteilung mehrere Dutzend Fischtypen identifiziert werden, die eine gestörte Entwicklung von T Lymphozyten zeigten.

In einigen Zebrabärbling Mutanten konnten durch geeignete Analyseverfahren diejenigen Gene identifiziert werden, die für die gestörte Entwicklung in den Fischen verantwortlich sind. Eines der veränderten Gene, c-myb, ist ein wichtiger Faktor für die Initiation und den Erhalt der Blutbildung im Fisch [2]. Reinerbigen Merkmalsträgern fehlen mit Ausnahme der als Makrophagen bezeichneten Fresszellen alle anderen Bestandteile des Blutsystems, einschließlich der für dessen lebenslange Funktion notwendigen Stammzellen. Wegen der Blutarmut sind diese Mutanten minderwüchsig, entwickeln eine Herzschwäche und zeigen keine sichtbare Ausprägung geschlechtsspezifischer Merkmale. Trotz dieser Einschränkungen haben die Mutanten immerhin noch eine Lebenserwartung von zwei bis drei Monaten, weil der für den Stoffwechsel nötige Sauerstoff durch passiven Austausch in die Gewebe gelangt. Überraschenderweise hat sich nun herausgestellt, dass sich die mutanten Fische in besonderer Weise als Empfängertiere für Transplantationen von Blutstammzellen eignen (Abb. 1; [1]).

<strong>Abb. 1: </strong>Wiederherstellung der Blutbildung in mutierten Zebrab&auml;rblingen nach Transplantation von Blutzellen aus der Niere normale Bild vergrößern
Abb. 1: Wiederherstellung der Blutbildung in mutierten Zebrabärblingen nach Transplantation von Blutzellen aus der Niere normaler Zebrabärblinge. Gezeigt sind, von links nach rechts, angefärbte rote Blutkörperchen im Herz von normalen, mutierten und transplantierten Zebrabärblingen.

Transplantation von Blutstammzellen im Zebrabärbling

Das Hauptproblem bei Transplantationen stellt die Immunreaktion des Empfängers gegen das fremde Gewebe dar, die durch die Aktivierung von T-Zellen und die Bildung von Antikörpern hervorgerufen wird. Auslöser für solche Abstoßungsreaktionen ist die Gewebsunverträglichkeit zwischen Spender und Empfänger, die von den sogenannten Histokompatibilitäts-Antigenen (MHC- bzw. HLA-Antigenen) bestimmt wird. Auch im Zebrabärbling findet man wie beim Menschen unterschiedliche MHC-Antigene, weshalb vor der Gewebstransplantation eine künstliche Schwächung des Immunsystems des Empfängers hervorgerufen werden muss, entweder durch Röntgenbestrahlung oder Gabe bestimmter Medikamente. Diese Vorbehandlung hat jedoch beachtliche und unerwünschte Nebenwirkungen, die beim Menschen nicht nur den erhofften Heilungserfolg beeinträchtigen, sondern ebenso im Tierexperiment für Schwierigkeiten bei der Analyse führen können. Unsere Forschungsergebnisse zeigen, dass im Falle der oben beschriebenen c-myb Mutante eine Bestrahlung der Empfängertiere nicht nötig ist, da sie keine Lymphozyten besitzen, die die transplantierten Zellen attackieren könnten und ihnen auch diejenigen Zellen fehlen, die die Lymphozyten des Spenders aktivieren könnten.

In unseren Versuchen dienten als Spendermaterial die bei Fischen sich in der Niere befindenden Zellen des blutbildenden Systems. Verwendet wurde Gewebe von normalen Zebrabärblingen oder von transgenen Tieren, bei denen durch einen gezielten genetischen Eingriff die entstehenden Blutzellen mit einem grün fluoreszierenden Eiweiß (dem sogenannten GFP-Protein) versehen wurden. Die künstlich hervorgerufene Fluoreszenz ermöglicht eine direkte Beobachtung der transplantierten Blutzellen im Empfängertier.

Sieben bis neun Wochen nach der Transplantation wurde die Niere der Empfängertiere auf die Anwesenheit verschiedener Zelltypen untersucht. Diese Untersuchungen zeigten, dass unter den transplantierten Zellen Blutstammzellen enthalten gewesen sein mussten, die dann in den mutanten Empfängern eine vollständige Wiederherstellung aller Arten von Blutzellen, vom roten Blutkörperchen über Fresszellen hin zu Lymphozyten, ermöglichten (Abb. 1).

Auch alle weiteren Zeichen der Entwicklungsverzögerung in den mutanten Fischen konnten durch Transplantation der Blutvorläuferzellen vollständig beseitigt werden, sodass sich die mutanten Fische äußerlich nicht mehr von ihren gesunden Geschwistern unterschieden.

Die überraschende Beobachtung, dass die c-myb Mutanten auch Zellen von Spendern mit unterschiedlichen Formen des MHC ohne vorherige Bestrahlung annahmen, legte nahe, dass sie auch Zellen anderer Tierarten tolerieren könnten. In der Tat haben erste sogenannte Xenotransplantationen mit Gewebe anderer Fischarten ermutigende Ergebnisse gezeigt; zukünftig sollen deshalb auch Transplantationen von Geweben aus entwicklungsgeschichtlich weiter entfernten Tieren, beispielsweise den Neunaugen oder Säugern, vorgenommen werden.

Ziel dieser Untersuchungen ist es, den in der Evolution herausgebildeten grundlegenden Funktionen des Thymus näher zu kommen. Jüngste Studien in Neunaugen haben gezeigt, dass diese Tiere bereits thymusähnliche Strukturen aufweisen, deren Funktion allerdings in diesen Organismen schwer zu untersuchen ist. Die Transplantation von in geeigneter Weise markierten Zellen aus diesen thymusähnlichen Strukturen könnte Aufschluss darüber geben, ob die Mechanismen der Besiedlung des Thymus und der Initiation der T-Zellentwicklung über 500 Millionen Jahre gleich geblieben sind.

Ausblick

Dank des hier vorgestellten Zebrabärbling-Modells können nun eine Reihe von Experimenten durchgeführt werden, die helfen, das Immunsystem der Wirbeltiere in seinen genauen zellulären und molekularen Abläufen zu studieren. Mithilfe der daraus gewonnenen Ergebnisse könnten insbesondere auf Immunschwäche basierende Krankheiten besser verstanden und behandelt und Abstoßungsreaktionen bei Transplantationen besser kontrolliert werden.

Literaturhinweise

1.
Hess, I.; Iwanami, N.; Schorpp, M.; Boehm, T.
Zebrafish model for allogeneic hematopoietic cell transplantation not requiring preconditioning
2.
Soza-Ried, C.; Hess, I.; Netuschil, N.; Schorpp, M.; Boehm, T.
Essential role of c-myb in definitive hematopoiesis is evolutionarily conserved
 
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