Mechanismen der Morphogenese von Pankreasinseln

Ziel dieses Projektes ist es, unser Wissen über die Kontrollmechanismen in der Bildung der Bauchspeicheldrüse zu erweitern. Studien haben kürzlich gezeigt, dass die Mehrzahl der Insulin produzierenden Beta-Zellen in Vertebraten aus Vorläufern des Pankreas-Dukt-Epithels hervorgehen. Aufgrund der schweren Zugänglichkeit des Pankreasgewebes in den meisten Vertebraten-Tiermodellen, sind die molekularen Mechanismen der anschließenden Delamination, Migration und Zell-Aggregation noch weitgehend unbekannt. In diesem Projekt möchten wir kürzlich in unserem Labor entwickelte Mikroskop-Techniken anwenden, die eine hochauflösende in vivo Visualisierung der Islet-Morphogenese ermöglichen. Live Imaging, genetische Manipulationen, pharmakologische Behandlungen sowie neu zugänglichen Technologien für automatisiertes chemisches Screening sollen angewandt werden. Durch die Kombination dieser Methoden wollen wir die Signalwege und zellulären Mechanismen, die für die Bildung und den Zusammenschluss der endokrinen Zellen kritisch sind, untersuchen. Die aus diesen Studien gewonnenen Erkenntnisse können die Methoden zur Islet-Bildung für die Behandlung von Diabetes verbessern, entweder durch das Wachsen von Vorläufern in Zellkulturen oder von endogenen Vorläuferzellen im Patienten. Weiters werden diese Studien zum allgemeinen Verständnis über die Mechanismen der Zellmigration beitragen. Dies ist ein wichtiger erster Schritt in der Entwicklung neuer Therapien für die Behandlung pathologischer Prozesse in der Zellmigration bei Entzündungserkrankungen und Metastasierung bei Krebserkrankungen.

In der Bauchspeicheldrüse regulieren die Betazellen der Inseln den Blutzuckerspiegel durch Insulinproduktion, welches in den Blutkreislauf abgegeben wird. Bei der weit verbreiteten Krankheit Diabetes sind diese Inseln nicht vorhanden oder nicht vollständig funktionstüchtig und die Behandlung erfolgt mittels Insulininjektion. Die Wissenschaftler hoffen in Zukunft Diabetes behandeln zu können, indem im Labor erzeugte Inseln in Patienten transplaniert werden können. Unsere Arbeit zielt darauf ab, besser zu verstehen, wie sich Inseln während der Entwicklung formen, um somit diesen Prozess besser im Labor nachstellen zu können. Während der Entwicklung bewegen sich einzelne Zellen aufeinander zu und bilden eine Insel. Es gibt nur wenig Informationen darüber, wie sich diese Zellen finden und Anhäufungen bilden ("Cluster"), da es schwierig ist die Entstehung und Wachstum der Bauchspeicheldrüse in Säugetieren wie Maus und Mensch zu sehen. Zur Erforschung der Inselbildung wurde der Modelorganismus Zebrafisch gewählt, welcher wie der Mensch zu den Wirbeltieren gehört. Allerdings erfolgt dessen Entwicklung außerhalb der Mutter und dessen Larven sind nahezu transparent. Der Zebrafisch ist besonders nützlich für die Untersuchung der Inseln der Bauchspeicheldrüse, weil die Inselbildung beschleunigt und am lebenden Organismus unter dem Mikroskop beobachtet werden kann. Für dieses Projekt haben wir Fische verwendet, die in den Zellen der Bauchspeicheldrüse leuchtende fluoreszierende Proteine herstellen. Dies ermöglicht uns die Form und Bewegung von Zellen im Detail zu erfassen. Nahaufnahmen von sich gruppierenden Zellen zeigten, dass noch separierte Zellen aktiv lange-fingerartige Zellfortsätze bildeten, um mit anderen Inselzellen in Kontakt zu treten. Es scheint, dass diese feinen Verbindungen als Brücke dienen, um die Zellen während der Clusterbildung zueinander bewegen zu lassen. Wir haben dann getestet, welche Moleküle möglicherweise für das Bilden dieser Zellfortsätze und das Clustern dieser Inselzellen wichtig sind. Zuerst blockierten wir die Gruppe der sogenannten G-Protein- gekoppelte Rezeptoren (GPCRs), wodurch keine Nachrichten mehr in die Zelle gesendet werden können. Die Hemmung dieser Proteingruppe führte dazu, dass die Zellen weniger feine Zellfortsätze bildeten und dass das Volumen der Inseln kleiner war. Ein ähnlicher Effekt konnte gesehen werden, wenn das Molekül Phosphoinositid-3-Kinasen (PI3K) mittels einer Chemikalie blockiert wurde. PI3K wirkt in den Zellen, um Proteine an neue Orte zu bringen, die Form von Zellen zu verändern oder die Produktion anderer Proteine ein- und auszuschalten. Das Ziel unserer kontinuierlichen Arbeit ist es, besser zu verstehen, wie die Zellbewegungen kontrolliert werden, wie sich Inselzellen erkennen und welche Kräfte sie zusammenbringen.