Alle Säugetiere haben Milchdrüsen, die Milch produzieren, eine Eigenschaft, die Wissenschaftler seit vielen Jahren fasziniert. Fragen dazu, warum sich Milchdrüsen entwickelten, wie sie sich an verschiedene Arten anpassten und welche einzigartigen evolutionären Zwänge ihre Entwicklung prägten, bleiben weitgehend unbeantwortet.
Um zu untersuchen, wie verschiedene Arten einzigartige Lösungen für biologische Herausforderungen entwickelt haben, stellt mein Team am Rauner Lab an der Tufts University School of Medicine die Säugetiervielfalt in einer Petrischale mithilfe von Miniaturversionen von Brustdrüsen – Organoiden – nach. Diese Modelle können Aufschluss über die grundlegenden biologischen Prozesse geben, die hinter der Milchproduktion, der Geweberegeneration und den frühen Stadien der Brustkrebsentstehung stehen.
Was sind Organoide?
Organoide sind in einer Zellkulturschale gezüchtete Miniatur-3D-Strukturen, die die Struktur und Funktion echter Organe nachahmen. Diese Modelle werden hergestellt, indem Stammzellen, die die einzigartige Fähigkeit besitzen, sich in verschiedene Zelltypen zu differenzieren, so geführt werden, dass sie bestimmte Arten organischer Zellen bilden.
Obwohl es sich nicht um exakte Miniaturnachbildungen lebensgroßer Organe handelt, enthalten Organoide genügend Zellen und Gewebearchitektur, um die Umgebung und Schlüsselfunktionen des von ihnen modellierten Organs nachzubilden. Beispielsweise besteht ein Brustdrüsenorganoid oder Brustgewebeorganoid aus winzigen länglichen Gängen, die in einer kugelförmigen Struktur enden und die Milchgänge und Alveolen des Drüsengewebes nachahmen.
Organoide sind ein leistungsstarkes Werkzeug für die biomedizinische Forschung, da sie eine 3D-Darstellung der Struktur und Funktion eines Organs liefern. Im Gegensatz zu herkömmlichen 2D-Zellkulturen können Organoide die Komplexität realer Gewebe nachahmen, einschließlich ihrer Architektur und verschiedener Zelltypen. Dadurch können Forscher komplexe biologische Prozesse wie Gewebeentwicklung, Regeneration und Krankheitsverlauf in einer kontrollierten Umgebung untersuchen und gleichzeitig die Abhängigkeit von Tiermodellen reduzieren.
Die Vielfalt der Säugetiere in einer Schüssel
Organoide werden traditionell von Forschern zur Modellierung menschlicher Krankheiten, zum Testen von Medikamenten und zum Studium der Entwicklungsbiologie verwendet. Ihr Potenzial geht jedoch weit über diese Anwendungen hinaus, insbesondere im Bereich der Evolutionsbiologie.
Mein Forschungsschwerpunkt liegt auf der Erzeugung von Brustdrüsenorganoiden verschiedener Säugetierarten. Säugetiere sind unglaublich vielfältig und jede Art ist an die unterschiedlichsten Umgebungen und Lebensstile angepasst. Die Milchdrüse, die für die Ernährung des Nachwuchses unerlässlich ist, weist erhebliche Unterschiede zwischen den Arten auf.
Beispielsweise gehören Monotreme wie das Schnabeltier und der Ameisenigel zu einer einzigartigen und alten Klasse von Säugetieren. Monotreme haben sich vor etwa 190 Millionen Jahren von anderen Säugetiergruppen unterschieden und zeichnen sich durch ihre Fortpflanzungsmethoden aus: Sie legen Eier, anstatt lebende Kinder zur Welt zu bringen. Ihre Brustdrüsen unterscheiden sich deutlich von denen eutherischer Säugetiere wie Kühe und Menschen, die Brustwarzen haben; Monotreme scheiden Milch über spezielle Brusthaare aus.
Wissenschaftler glauben, dass unterschiedliche Umweltbelastungen und unterschiedliche Fortpflanzungsstrategien zur Entwicklung verschiedener Formen der Laktation geführt haben. Die genauen Mechanismen und Evolutionswege sind jedoch noch weitgehend unbekannt. Durch den Vergleich von Organoiden dieser verschiedenen Arten können Forscher Aufschluss darüber geben, wie sich diese alten Strukturen über Millionen von Jahren entwickelt und angepasst haben, um den Fortpflanzungsbedürfnissen verschiedener Tiere gerecht zu werden.
Wissen jenseits der Brustdrüse
Die Untersuchung der einzigartigen Eigenschaften der Brustdrüse kann auch Aufschluss über andere Bereiche der Biologie und Medizin geben.
Beispielsweise ist die Brustdrüse in der Lage, sich während jedes Fortpflanzungs- und Laktationszyklus zu regenerieren. Es ist daher ein hervorragendes Modell zur Untersuchung der Geweberegeneration. Mithilfe von Organoiden können Forscher den Regenerationsprozess in Echtzeit beobachten und untersuchen, wie sich verschiedene Arten entwickelt haben, um diese Regenerationsfähigkeit aufrechtzuerhalten. Das Verständnis der Mechanismen hinter der Regeneration könnte zu Fortschritten in der regenerativen Medizin führen, einem Bereich, der sich auf die Reparatur oder den Ersatz beschädigter Gewebe und Organe bei Erkrankungen wie Herzerkrankungen, Diabetes und Verletzungen konzentriert.
Brustorganoide können auch zur Brustkrebsforschung beitragen. Die Untersuchung von Brustorganoiden von Arten, die selten Brusttumoren entwickeln, wie z. B. Kühen und Schweinen, könnte potenzielle Schutzmechanismen aufdecken und neue Strategien zur Prävention und Behandlung von Brustkrebs beim Menschen liefern. Organoide bieten auch eine Plattform zur Untersuchung der frühen Ereignisse der Tumorbildung und der zellulären Umgebung, die zur Krebsentstehung beiträgt.
Mithilfe von Organoiden können Wissenschaftler außerdem den Beginn, die Dauer und das Ende der Laktation bei verschiedenen Arten untersuchen. Der Laktationsprozess ist bei Säugetieren sehr unterschiedlich und hängt von Faktoren wie hormonellen Veränderungen und Umweltbedingungen ab. Einige Säugetiere haben einzigartige Laktationsmuster. Beuteltiere wie das Tammar-Känguru können beispielsweise zwei Arten Milch gleichzeitig produzieren, um den Nährstoffbedarf ihrer Nachkommen in unterschiedlichen Entwicklungsstadien zu decken, ein Phänomen, das als asynchrone Simultanlaktation bekannt ist. Darüber hinaus können Pelzrobben ihre Milchproduktion auch über lange Zeiträume hinweg aufrechterhalten, in denen sie nicht gesäugt werden.
Die Untersuchung verschiedener Arten der Laktation in Brustorganoiden könnte tiefere Einblicke in die Regulierung der Laktation liefern und evolutionäre Anpassungen aufdecken, die die Biologie der menschlichen Laktation klären und die Milchproduktionsstrategien in der Landwirtschaft verbessern könnten.
Das Potenzial der Organoid-Technologie
Organoide haben gegenüber herkömmlichen Tiermodellen mehrere Vorteile. Erstens bieten sie eine kontrollierte Umgebung für die Untersuchung komplexer biologischer Prozesse und ermöglichen Wissenschaftlern die gleichzeitige Durchführung mehrerer Tests, wodurch die Forschungseffizienz gesteigert wird.
Sie reduzieren auch ethische Probleme im Zusammenhang mit Tierversuchen. Organoide können aus Tieren erzeugt werden, die für die Lebendtierforschung nicht zur Verfügung stehen, beispielsweise aus seltenen oder gefährdeten Arten.
Darüber hinaus können Organoide gentechnisch verändert werden, um bestimmte Gene und Signalwege zu untersuchen und so tiefere Einblicke in die molekularen Mechanismen zu erhalten, die der Biologie der Brustdrüsen zugrunde liegen.
Organoide sind sicherlich ein mächtiges Werkzeug, aber sie sind nicht ohne Einschränkungen. Sie können die Komplexität lebender Gewebe nicht vollständig nachbilden und Ergebnisse aus Organoidstudien müssen an lebenden Probanden validiert werden. Trotz dieser Hindernisse verschieben Fortschritte in der Organoid-Technologie weiterhin die Grenzen des Möglichen und bieten neue Möglichkeiten für die Erforschung der Vielfalt und Evolution von Säugetieren.
Durch die Nachbildung der Vielfalt von Säugetiergeweben in einer Petrischale können Forscher wichtige Erkenntnisse darüber gewinnen, wie sich verschiedene Arten entwickelt haben, um biologische Herausforderungen zu lösen, mit dem Potenzial, der menschlichen Gesundheit, der Landwirtschaft und der Ernährungswissenschaft zugute zu kommen.
Dieser Artikel wurde von The Conversation erneut veröffentlicht, einer unabhängigen, gemeinnützigen Nachrichtenorganisation, die Ihnen vertrauenswürdige Fakten und Analysen liefert, die Ihnen helfen, unsere komplexe Welt zu verstehen. Es wurde geschrieben von: Gat Rauner, Tufts-Universität
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