Eine Untersuchung der Organoide der Bauchspeicheldrüse deckt Schlüsselfaktoren auf, die die komplexe Lumenbildung beeinflussen

Organe verfügen häufig über mit Flüssigkeit gefüllte Räume, sogenannte Lumen, die für die Organfunktion von entscheidender Bedeutung sind und als Transport- und Abgabenetzwerke dienen. Lumen in der Bauchspeicheldrüse bilden ein komplexes Gangsystem, und seine Kanäle transportieren Verdauungsenzyme zum Dünndarm. Es ist wichtig zu verstehen, wie sich dieses System in der Embryonalentwicklung bildet, sowohl für die normale Organbildung als auch für die Diagnose und Behandlung von Pankreaserkrankungen. Trotz ihrer Bedeutung ist die Art und Weise, wie Lumen bestimmte Formen annehmen, nicht vollständig geklärt, da sich Studien in anderen Modellen weitgehend auf die Bildung einzelner, kugelförmiger Lumen beschränkten. Organoidmodelle, die die physiologischen Eigenschaften realer Organe besser nachahmen, können eine Reihe von Lumenmorphologien aufweisen, beispielsweise komplexe Netzwerke dünner Röhren.

Forscher der Gruppe von Anne Grapin-Botton, Direktorin am Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) in Dresden und außerdem Honorarprofessorin an der TU Dresden, arbeiteten mit Kollegen aus der Gruppe von Masaki Sano an der Universität Tokio (Japan), Tetsuya Hiraiwa am Institut für Physik der Academia Sinica (Taiwan) und Daniel Rivéline am Institut de Génétique et zusammen de Biologie Moléculaire et Cellulaire (Frankreich), um die Prozesse zu erforschen, die an der Bildung komplexer Lumen beteiligt sind. Mithilfe einer Kombination aus Computermodellierung und experimentellen Techniken konnten die Wissenschaftler die entscheidenden Faktoren identifizieren, die die Lumenform steuern.

Das sternförmige Lumen ähnelt echten Bauchspeicheldrüsen

Dreidimensionale Pankreasstrukturen, auch Pankreasorganoide genannt, können je nach Medium in der Schale entweder große kugelförmige Lumen oder schmale, komplexe, miteinander verbundene Lumenstrukturen bilden. Durch die Zugabe spezifischer chemischer Medikamente, die die Zellproliferationsrate und den Druck im Lumen veränderten, konnten wir die Lumenform verändern. Wir haben auch herausgefunden, dass die Verbesserung der Durchlässigkeit der Epithelzellen, die das Lumen umgeben, den Druck verringert und auch die Form des Lumens verändern kann.“

Byung Ho Lee, Postdoktorand in der Gruppe von Anne Grapin-Botton und Hauptautor der Studie

„Unser Modell kann messen und vorhersagen, welche Parameter für die Übergänge der Lumenformen verantwortlich sind, und ermöglicht so eine Rückkopplung in die Experimente selbst“, sagt Kana Fuji, Doktorandin in der Forschungsgruppe von Masaki Sano. Um zu verstehen, wie einzelne Zellen wachsen und sich teilen und wie sich dies auf die Bildung des Lumens auswirkt, simulierte das Forschungsteam den Vorgang zusätzlich zu den Experimenten mit einem mathematischen Modell.

„Unsere Studie zeigt, dass die Form und Struktur des Lumens in Pankreas-Organoiden von drei Hauptfaktoren abhängt: wie schnell sich die Zellen vermehren, wie hoch der Druck im Lumen ist und wie durchlässig die Zellen um das Lumen herum sind“, sagt Anne Grapin-Botton, die die Studie gemeinsam mit Byung Ho Lee betreute. „Diese Entdeckung könnte uns helfen zu verstehen, wie sich andere Organe mit engen, miteinander verbundenen Gängen entwickeln und wie sich häufige zystische Erkrankungen auf sie auswirken. Unser Modellsystem könnte die Forschung im Bereich der Organentwicklung und des Tissue Engineering vorantreiben und möglicherweise auch dazu verwendet werden, zu testen, wie verschiedene Medikamente Krankheiten beeinflussen, was zu neuen Behandlungen führen könnte. Dies könnte uns helfen, Krankheiten, die die Bauchspeicheldrüse und andere Organe mit verzweigten Gängen betreffen, besser zu verstehen und zu behandeln.“

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