Pressemitteilung/News

Diabetesforschung
06.10.2017

Regenbogenfarben enthüllen Werdegang von Zellen

Eine aktuelle Veröffentlichung in ‚Nature Communications‘ stellt das System „Beta-bow“ vor: Es deckt die Unterschiedlichkeit von Betazellen auf, indem es diese durch ihre Entwicklungsstadien verfolgt. An der Arbeit waren auch Dresdener Wissenschaftler des Helmholtz Zentrums München, Partner im Deutschen Zentrum für Diabetesforschung (DZD), beteiligt.

Das Bild zeigt Betazellen eines Zebrafisches. Das Beta-bow System ermöglicht die Kennzeichnung der Zellen durch die kombinatorische Expression fluoreszierender Proteine. Dadurch kann die Entwicklungsgeschichte der Betazellen von ihrer Entstehung an verfolgt werden. © CRTD/Ninov

Durch das Verfolgen individueller Zellen in einem sich entwickelnden Organismus können funktionelle Unterschiede zwischen scheinbar einheitlichen Zellen aufgedeckt werden. Dieses Wissen ist wichtig, um die Eigenschaften hoch-regenerativer Zellen zu definieren und um diese dann für zelluläre Therapien auszuwählen. Die Studie stellt eine neue Methode zur Verfolgung der Insulin produzierenden Betazellen vor.

Untersucht wurden die Zellen (exemplarisch im Zebrafisch) mit Blick auf ihre Zellteilung, Funktion und den Zeitpunkt der Differenzierung. Mit ihrer Studie zeigen die Forscherinnen und Forscher, dass Betazellen von verschiedenen zeitlichen Abstammungen miteinander koexistieren. Dies führt zur Bildung dynamischer Subpopulationen, die sich hinsichtlich Proliferation und funktioneller Eigenschaften unterscheiden.

Dafür verwendeten die Wissenschaftler ein genetisches Barcoding* sowie eine mehrfarbige Bildgebung, die an Regenbogenfarben erinnert. Federführend bei der Entwicklung dieses Beta-bow genannten Systems war Dr. Nikolay Ninov. Er ist Forschungsgruppenleiter am Institut für die Erforschung Pankreatischer Inselzellen (IPI) des Helmholtz Zentrums München und am DFG-Forschungszentrum für Regenerative Therapien Dresden (CRTD), Exzellenzcluster an der TU Dresden.

In der Studie konnte auch zum ersten Mal gezeigt werden, zu welchem Zeitpunkt die Betazellen des Zebrafischs funktional sind. Durch dieses genetische Model werden neue Wege aufgezeigt, um zu untersuchen, wie Betazellen einen funktionalen Zustand erwerben.

„Auch 20 Jahre nach Auftreten des Typ-1-Diabetes, können einige Betazellen in der Bauchspeicheldrüse überleben. Vermutlich unterscheiden sich diese Zellen von allen anderen Zellen, was ihnen ermöglicht, sich vor dem Immunsystem zu verstecken und so einer autoimmunen Zerstörung zu entkommen“, sagt Ninov. Mit der neuen Methode wollen er und seine Kollegen diese Eigenschaften nun genauer unter die Lupe nehmen und herausfinden, um welche Subpopulation es sich genau handelt.

„Als nächsten Schritt werden wir unser Modell und unsere Zellverfolgungsmethoden nutzen, um die Signale zu verstehen, welche die Betazellen anweisen, einen bestimmten Funktionszustand anzunehmen. Wir fanden heraus, dass dieser Prozess im Zebrafisch nur wenige Tage nach der Entstehung der Zellen benötigt. Es ist hingegen schwierig, funktionale Betazellen aus menschlichen Stammzellen im Reagenzglas zu bilden. Deshalb ist unsere Hypothese, dass die in vivo Umgebung in der Bauchspeicheldrüse des Zebrafisches starke Signale für einen schnellen funktionalen Reifeprozess bereitstellt. Nun werden wir diese Signale identifizieren, da dieses Wissen dazu beitragen kann, funktionale humane Betazellen für Transplantationszwecke in der Petrischale herzustellen“, erklärt Ninov.

Weitere Informationen

* Genetisches Barcoding ist eine taxonomische Methode zur Bestimmung von Arten oder Zelltypen anhand der DNA-Sequenz eines Markergens. Die Abfolge der Basenpaare wird dabei analog wie der Strichcode auf Lebensmittel-Verpackungen als Kennzeichen für eine bestimmte Entwicklung verwendet.

Hintergrund:
Jüngst wurde die Heterogenität von Betazellen als bewiesen betrachtet und es wird angenommen, dass diese Heterogenität eine wichtige Rolle beim Fortschreiten von Diabetes spielen könnte. Auch Wissenschaftler um Prof. Heiko Lickert befassen sich mit Blick auf regenerative Therapien mit der Heterogenität von Betazellen.

Das Projekt, welches vor circa 3,5 Jahren ins Leben gerufen wurde, wurde durch CRTD Postdoc Sumeet Pal Singh geleitet. Zusätzlich entwickelte Sharan Janjuha (Doktorand, DIGS-BB) ein Verfahren für die Bildgebung von Kalzium-Signalen. Weiterhin haben Forscher aus Japan (Daiichi Sankyo Co.,Ltd), dem Vereinigten Königreich (Oxford University) und Deutschland (CRTD) beigetragen.

Seit 2013 ist Nikolay Ninov Forschungsgruppenleiter für „Betazellen Biologie und Regeneration“ am CRTD und PLID des Helmholtz Zentrum Münchens am Universitätsklinikum Dresden und der Medizinischen Fakultät Carl Gustav Carus der TU Dresden – ein Partner des Deutschen Zentrums für Diabetesforschung (DZD). Im Jahr 2008 schloss Nikolay Ninov seine Promotion an der Universitat de Barcelona (Spanien, Parc Cientific de Barcelona) ab. Anschließend arbeitete er von 2008-2009 als Postdoc an der University of Toronto (Kanada, Abteilung für Zell- und Systembiologie), und von 2009-2013 an der University of California at San Francisco (USA) und dem Max Planck Institut für Herz- und Lungenforschung (Bad Nauheim, Deutschland).

Original-Publikation:
Singh, SP. et al. (2017): Different developmental histories of beta-cells generate functional and proliferative heterogeneity during islet growth. Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-017-00461-3

Das Helmholtz Zentrum München verfolgt als Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt das Ziel, personalisierte Medizin für die Diagnose, Therapie und Prävention weit verbreiteter Volkskrankheiten wie Diabetes mellitus und Lungenerkrankungen zu entwickeln. Dafür untersucht es das Zusammenwirken von Genetik, Umweltfaktoren und Lebensstil. Der Hauptsitz des Zentrums liegt in Neuherberg im Norden Münchens. Das Helmholtz Zentrum München beschäftigt rund 2.300 Mitarbeiter und ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der 18 naturwissenschaftlich-technische und medizinisch-biologische Forschungszentren mit rund 37.000 Beschäftigten angehören. 

Das Institut für die Erforschung Pankreatischer Inselzellen (IPI) erforscht die Krankheitsursachen des Diabetes mellitus Typ 1, Typ 2 sowie des Schwangerschaftsdiabetes. Dabei sorgen zerstörte oder in ihrer Funktion eingeschränkte Betazellen für einen erhöhten Blutzuckerspiegel. Die Wissenschaftler des IPI/PLID arbeiten daran die Mechanismen zu entschlüsseln, die die Zerstörung und/oder Funktionseinschränkung der Betazellen bedingen und versuchen darüber hinaus neue Ansätze zu entwickeln um die geschädigten bzw. zerstörten Betazellen zu ersetzen.

Das Deutsche Zentrum für Diabetesforschung (DZD) e.V. ist eines der sechs Deutschen Zentren der Gesundheitsforschung. Es bündelt Experten auf dem Gebiet der Diabetesforschung und verzahnt Grundlagenforschung, Epidemiologie und klinische Anwendung. Ziel des DZD ist es, über einen neuartigen, integrativen Forschungsansatz einen wesentlichen Beitrag zur erfolgreichen, maßgeschneiderten Prävention, Diagnose und Therapie des Diabetes mellitus zu leisten. Mitglieder des Verbunds sind das Helmholtz Zentrum München – Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt, das Deutsche Diabetes-Zentrum DDZ in Düsseldorf, das Deutsche Institut für Ernährungsforschung DIfE in Potsdam-Rehbrücke, das Institut für Diabetesforschung und Metabolische Erkrankungen des Helmholtz Zentrum München an der Eberhard-Karls-Universität Tübingen und das Paul-Langerhans-Institut Dresden des Helmholtz Zentrum München am Universitätsklinikum Carl Gustav Carus der TU Dresden, assoziierte Partner an den Universitäten in Heidelberg, Köln, Leipzig, Lübeck und München sowie weitere Projektpartner.