Leben und Tod gelten traditionell als Gegensätze. Aber die Entstehung neuer vielzelliger Lebensformen aus den Zellen eines toten Organismus führt zu einem „dritten Zustand“, der jenseits der traditionellen Grenzen von Leben und Tod liegt.
Im Allgemeinen betrachten Wissenschaftler den Tod als die irreversible Einstellung der Funktion eines Organismus als Ganzes. Praktiken wie die Organspende zeigen jedoch, dass Organe, Gewebe und Zellen auch nach dem Tod eines Organismus weiterhin funktionieren können. Diese Widerstandsfähigkeit wirft die Frage auf: Welche Mechanismen ermöglichen es bestimmten Zellen, nach dem Tod eines Organismus weiter zu funktionieren?
Wir sind Forscher, die untersuchen, was mit Organismen nach ihrem Tod passiert. In unserer kürzlich veröffentlichten Übersicht beschreiben wir, wie bestimmte Zellen – wenn ihnen Nährstoffe, Sauerstoff, Bioelektrizität oder biochemische Signale zugeführt werden – die Fähigkeit haben, sich nach ihrem Tod in mehrzellige Organismen mit neuen Funktionen zu verwandeln.
Leben, Tod und die Entstehung von etwas Neuem
Der dritte Zustand stellt die Art und Weise in Frage, wie Wissenschaftler normalerweise das Verhalten von Zellen verstehen. Während die Verwandlung von Raupen in Schmetterlinge oder die von Kaulquappen in Frösche häufige Entwicklungsumwandlungen sind, gibt es nur wenige Fälle, in denen sich Organismen auf eine Weise entwickeln, die nicht vorherbestimmt ist. Tumore, Organoide und Zelllinien, die sich in einer Petrischale unbegrenzt teilen können, wie etwa HeLa-Zellen, gelten nicht als Teil des dritten Zustands, da sie keine neuen Funktionen entwickeln.
Forscher entdeckten jedoch, dass Hautzellen, die aus verstorbenen Froschembryonen gewonnen wurden, sich an die neuen Bedingungen einer Labor-Petrischale anpassen konnten und sich spontan in mehrzellige Organismen namens Xenobots umorganisierten. Diese Organismen haben Verhaltensweisen gezeigt, die weit über ihre ursprünglichen biologischen Rollen hinausgehen. Konkret nutzen diese Xenobots ihre Flimmerhärchen – kleine haarähnliche Strukturen –, um in ihrer Umgebung zu navigieren und sich fortzubewegen, während in einem lebenden Froschembryo die Flimmerhärchen typischerweise dazu dienen, Schleim zu bewegen.
Xenobots sind auch zur kinematischen Selbstreplikation fähig, was bedeutet, dass sie ihre Struktur und Funktion physisch nachbilden können, ohne zu wachsen. Dies unterscheidet sich von häufigeren Replikationsprozessen, bei denen es um Wachstum innerhalb oder auf dem Körper des Organismus geht.
Forscher entdeckten außerdem, dass sich einzelne menschliche Lungenzellen selbst zusammensetzen können, um bewegungsfähige Miniatur-Mehrzellerorganismen zu bilden. Diese Anthropologen verhalten sich und strukturieren sich auf neue Weise. Sie sind nicht nur in der Lage, sich in ihrer Umgebung zu bewegen, sondern auch sich selbst und verletzte neuronale Zellen in der Nähe zu reparieren.
Zusammengenommen zeigen diese Ergebnisse die inhärente Plastizität zellulärer Systeme und stellen die Vorstellung in Frage, dass sich Zellen und Organismen nur auf vorgegebene Weise entwickeln können. Der dritte Punkt legt nahe, dass der Tod eines Organismus eine wichtige Rolle dabei spielen könnte, wie sich das Leben im Laufe der Zeit verändert.
Obduktionsbedingungen
Mehrere Faktoren beeinflussen das Überleben und die Funktion bestimmter Zellen und Gewebe nach dem Tod eines Organismus. Dazu gehören Umweltbedingungen, Stoffwechselaktivität und Konservierungstechniken.
Verschiedene Zelltypen haben unterschiedliche Überlebenszeiten. Beispielsweise sterben beim Menschen weiße Blutkörperchen zwischen 60 und 86 Stunden nach dem Tod des Organismus ab. Bei Mäusen können Skelettmuskelzellen 14 Tage nach dem Tod nachwachsen, während Fibroblastenzellen bei Schafen und Ziegen bis zu etwa einem Monat nach dem Tod kultiviert werden können.
Die Stoffwechselaktivität spielt eine wichtige Rolle für das Überleben und die Funktion der Zellen. Aktive Zellen, die zur Aufrechterhaltung ihrer Funktion eine kontinuierliche und erhebliche Energieversorgung benötigen, sind schwieriger zu kultivieren als Zellen mit geringerem Energiebedarf. Konservierungstechniken wie die Kryokonservierung können dazu führen, dass Gewebeproben wie Knochenmark ähnlich funktionieren wie solche aus lebenden Spenderquellen.
Auch inhärente Überlebensmechanismen spielen eine Schlüsselrolle für das Überleben von Zellen und Geweben. Beispielsweise beobachteten Forscher nach dem Absterben des Organismus einen deutlichen Anstieg der Aktivität stressbedingter Gene und Immungene, der den Verlust der Homöostase wahrscheinlich ausgleicht. Darüber hinaus beeinflussen Faktoren wie Traumata, Infektionen und die Zeit seit dem Tod die Lebensfähigkeit von Gewebe und Zellen erheblich.
Auch Faktoren wie Alter, Gesundheitszustand, Geschlecht und Art beeinflussen die postmortale Landschaft. Dies spiegelt sich in der Herausforderung wider, metabolisch aktive Inselzellen, die Insulin produzieren, vom Spender zum Empfänger zu kultivieren und in die Bauchspeicheldrüse zu transplantieren. Forscher glauben, dass Autoimmunprozesse, hohe Energiekosten und der Zusammenbruch von Schutzmechanismen für das Scheitern vieler Inseltransplantationen verantwortlich sein könnten.
Es ist noch nicht klar, wie das Zusammenspiel dieser Variablen es bestimmten Zellen ermöglicht, nach dem Tod eines Organismus weiter zu funktionieren. Eine Hypothese besagt, dass spezielle Kanäle und Pumpen, die in die Außenmembranen von Zellen eingebettet sind, als komplexe elektrische Schaltkreise dienen. Diese Kanäle und Pumpen erzeugen elektrische Signale, die es den Zellen ermöglichen, miteinander zu kommunizieren und bestimmte Funktionen wie Wachstum und Bewegung auszuführen und so die Struktur des Organismus, den sie bilden, zu formen.
Es ist auch nicht bekannt, in welchem Ausmaß sich verschiedene Zelltypen nach dem Tod verändern können. Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass bestimmte Gene, die an Stress, Immunität und epigenetischer Regulierung beteiligt sind, nach dem Tod bei Mäusen, Zebrafischen und Menschen aktiviert werden, was auf ein breites Transformationspotenzial bei verschiedenen Zelltypen schließen lässt.
Implikationen für Biologie und Medizin
Der dritte Zustand bietet nicht nur neue Einblicke in die Anpassungsfähigkeit von Zellen. Es eröffnet auch Perspektiven für neue Behandlungsmethoden.
Beispielsweise könnten Anthropobots aus lebendem Gewebe eines Individuums gewonnen werden, um Medikamente zu verabreichen, ohne eine unerwünschte Immunantwort auszulösen. In den Körper injizierte gentechnisch veränderte Anthropobots könnten möglicherweise arterielle Plaque bei Arteriosklerose-Patienten auflösen und überschüssigen Schleim bei Mukoviszidose-Patienten entfernen.
Es ist wichtig zu beachten, dass diese vielzelligen Organismen eine begrenzte Lebensdauer haben und nach vier bis sechs Wochen auf natürliche Weise abgebaut werden. Dieser „Leistungsschalter“ verhindert das Wachstum potenziell invasiver Zellen.
Ein besseres Verständnis darüber, wie bestimmte Zellen einige Zeit nach dem Ableben eines Organismus weiterhin funktionieren und sich in mehrzellige Einheiten verwandeln, verspricht Fortschritte in der personalisierten und präventiven Medizin.
Artikel aktualisiert, um Peter Nobles aktuelle akademische Zugehörigkeit widerzuspiegeln.
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: Peter A Noble, Universität von Alabama in Birmingham und Alex Pozhitkov, Irell & Manella Graduate School of Biological Sciences in City of Hope
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Die Autoren arbeiten nicht für ein Unternehmen oder eine Organisation, die von diesem Artikel profitieren könnte, beraten nicht, besitzen keine Anteile an einem Unternehmen oder erhalten keine Finanzierung von diesem und haben keine relevanten Verbindungen über ihre Universitätsposition hinaus erklärt.