Zebrafische und ihre Superkraft
Habt ihr schon einmal von Zebrafischen gehört? Menschen mit Aquarium kennen die bestimmt. Denn diese maximal 5 cm langen Tiere sind beliebte Zielfische. Den Namen haben sie aufgrund ihres Aussehens. Ihre Seiten sind gelblich-silber und dabei zebrafellartig von blau-schwarzen Längsstreifen durchzogen. Diese Zebrafische sind heute Thema im Forschungsquartett. Denn sie haben eine Superkraft: Zebrafische können zerstörtes und vernarbtes Herzgewebe komplett regenerieren. Wie der Zebrafisch das macht und ob wir das auf die Humanmedizin übertragen können, darum geht es in dieser Folge. Mein Name ist Wieland Mikulajczyk. Wie gut, dass ihr zuhört. Das Forschungsquartett – Wissenschaft bei detektor.fm, in Kooperation mit dem Max Delbrück Center.
Herzinfarkt und seine Folgen
Herzinfarkt – eine Horrorvorstellung. In der Regel wird eine Herzarterie verstopft und dadurch die Sauerstoff- und Nährstoffzufuhr des Herzmuskels für längere Zeit unterbrochen. Dabei werden Herzmuskelzellen beschädigt und ein Teil des Herzmuskels zerstört. Die Überlebenden sind dann nicht mehr so leistungsfähig, weil ein Teil des Herzens ausfällt. Ganz anders bei Zebrafischen: Anstatt einer dauerhaften Narbe wächst innerhalb weniger Wochen einfach ein voll funktionsfähiges neues Herzgewebe nach.
Wie dieses kleine Naturwunder funktioniert, darüber spreche ich heute mit dem Entwicklungsbiologen Prof. Dr. Jan Philipp Juncker vom Max Delbrück Center. Herr Prof. Juncker, herzlich willkommen im Forschungsquartett. Ja, guten Morgen, Herr Mikulajczyk. Vielen Dank, dass ich dabei sein darf.
Zebrafische im Labor
Herr Prof. Juncker, Sie forschen zu Zebrafischen. Das sind beliebte Zierfische, die ursprünglich aus dem Ganges in Pakistan und Indien kommen. Die sind mit 5 cm nicht besonders groß. Wie viele der Fische haben Sie bei sich im Labor und wie viel Zeit braucht man, um die täglich zu füttern?
Ja, die Zebrafische sind ziemlich kleine Fische und das ist eine gute Eigenschaft für einen Modellorganismus, weil das die Pflege einfacher macht und uns erlaubt, tatsächlich einige tausend Fische hier im Gebäude zu haben. Mit den meisten machen wir auch keine Experimente. Die halten wir, damit wir eine gewisse genetische Diversität in der Population haben. Wie gesagt, der Fisch ist 5 cm, sein Herz ist gerade mal 1 mm im Durchmesser.
Regeneration des Herzens
Was macht ausgerechnet diesen kleinen Aquariumfisch zu einem mächtigen Werkzeug für die moderne Herzforschung? Die Zebrafische haben die tolle Eigenschaft, dass sie einige Organe regenerieren können, die wir Menschen nicht regenerieren können. Zum Beispiel das Gehirn, das Pankreas, aber auch das Herz. Das Herz erholt sich nach einer Verletzung, die einem menschlichen Herzinfarkt nahekommt, innerhalb von ein paar Wochen vollständig. Diesen Prozess zu verstehen, finden wir total spannend, einfach als Grundlagenforschung. Aber natürlich hoffen wir auch, dass das Inspiration für Therapien im Menschen geben kann.
Ich habe in der Anmoderation geschrieben, wie so ein Herzinfarkt beim Menschen abläuft. Durch Sauerstoffmangel sterben Herzmuskelzellen ab und es entsteht Narbengewebe. Dieses Narbengewebe kann dann nicht mehr pumpen. Ganz anders bei dem Zebrafisch, wie Sie gerade gesagt haben. Was läuft in seinem Körper anders ab als bei uns?
Wenn wir eine Verletzung des Herzens beiführen, dann sind tatsächlich die ersten Schritte ganz ähnlich wie im Menschen oder in anderen Säugetieren. Sprich, das Herzgewebe, die Herzmuskelzellen sterben ab, dann kommt es zu einer Entzündungsreaktion und es bildet sich innerhalb von wenigen Tagen Narbengewebe, Fibrose. Ab diesem Zeitpunkt beginnt das Besondere, denn dieses Narbengewebe bildet sich beim Zebrafisch zurück und dafür kommen neue Herzmuskelzellen wieder zurück. Das führt dazu, dass nach vier Wochen keine Spur dieser Verletzung mehr zu sehen ist, so wie wir das im Menschen zum Beispiel nach einer kleinen Verletzung an der Haut haben. Aber im Herz haben wir diese Fähigkeit nicht.
Forschung und Methodik
Wie geht man denn eigentlich vor, um so etwas herauszufinden? Welche Schritte geht man da genau? Wir bauen in unserer Arbeit auf wichtigen Vorarbeiten von anderen auf. Also wir und ich, wir haben dieses Phänomen der Herzregeneration im Zebrafisch nicht entdeckt. Andere haben das beschrieben. Die Spezialität, die Expertise meines Labors ist Genomik und insbesondere Einzelzellgenomik. Also wir können uns sehr präzise ansehen, in welchen Zellen welche genetischen Programme gestartet werden, um diesen Regenerationsprozess herbeizuführen. Sprich, wir schauen uns in einzelnen Zellen an, wie sie auf die Verletzung reagieren.
Wie fügt man dann diesem Herzen, was ja nur ein Millimeter groß ist, wie fügt man dem Verletzung zu? Also was machen Sie da genau? Das Protokoll, was wir benutzen, funktioniert so: Man nimmt eine kleine spitze kalte Nadel, die wird mit flüssigem Stickstoff abgekühlt und hält die kurz für ein paar Sekunden auf einen Teil des Zebrafischherzens. Nicht das ganze Herz wird beschädigt, sondern ein Teil des Ventrikels. Und dieser Kälteschock führt dazu, dass dann lokal das Gewebe abstirbt.
Nach der Verletzung
Dieses Gewebe, wenn es abgestorben ist, was passiert dann weiter? Was untersuchen Sie dann genau? Also es ist seit einiger Zeit bekannt, dass es keine Stammzellen im Herzen gibt. Das heißt, die neuen Herzmuskelzellen entstehen aus existierenden Herzmuskelzellen. Menschen können sich die Herzmuskelzellen nicht mehr teilen. Im Zebrafisch dagegen bewegen die sich in einen embryonalen Zustand zurück, indem sie wieder die Fähigkeit haben, Zellteilung durchzuführen, sich also zu vermehren. Und dann differenzieren sie wieder in die normalen, erwachsenen, adulten Herzmuskelzellen.
Dieser Prozess ist grundsätzlich vorher beschrieben worden. Wir können es jetzt auf molekularer Ebene ansehen. Was sind die genetischen Schalter, die umgelegt werden, um so einen Prozess zu ermöglichen? Ein anderer Aspekt ist dabei auch noch wichtig: Im Herz sind verschiedene Zelltypen, nicht nur die Herzmuskelzellen. Da gibt es Blutgefäße, Immunzellen, die im Gewebe sind. Es gibt das Endokardium und das Epikardium. Das ist eine innere und eine äußere Schicht, die um die Herzmuskelzellen herumgeht. Und es gibt Fibroblasten, die Zellen, die sich stark vermehren, um Narbengewebe zu machen.
Wir haben gefunden, dass viele von diesen anderen Zelltypen den Herzmuskelzellen quasi helfen, die Regeneration durchzuführen. Und das ist insbesondere die Eigenschaft dieser Helferzellen. Man spricht dann von der Nische, von der Umgebung, die die Regeneration ermöglicht. Diese Zellen sind sehr wichtig und was dort passiert, das schauen wir uns an.
Genetische Analyse
Ich habe gelesen, dass Sie die Zellen mit einem genetischen Barcode namens Linnaeus und der Genschere CRISPR zurückverfolgen. Was genau haben Sie bei dieser Einzelzellanalyse entdeckt? Diese Technik nennen wir Linnaeus, benannt nach Carl von Linnaeus, der die Systematik in die Tier- und Pflanzenwelt gebracht hat und die Abstammungsverhältnisse von Lebewesen erstmalig systematisch beschrieben hat.
Und unsere Technik versucht, so etwas Ähnliches mit einzelnen Zellen zu tun, dass wir den Stammbaum von einzelnen Zellen aufnehmen. Das heißt, wenn bei der Regeneration neue Zellen auftauchen, in dem neue Zellen entstehen und durch das Zellen ihren Charakter ändern, ein anderer Zelltyp werden, dann können wir damit bestimmen, was der Ursprung dieser Zellen ist, was sind die Vorfahren. Und das machen wir, indem wir mit CRISPR-Cas9, mit der Genschere, Barcodes in das Genom einfügen. Das ist einfach eine kurze DNA-Sequenz, die zufällig generiert wird: A, G, C, T und so weiter. Und dann sehen wir, dass alle Zellen, die die gleiche Barcode-Sequenz haben, auf einen gemeinsamen Vorfahren zurückgehen.
Bedeutung der Regeneration
Warum ist das wichtig für Regeneration? Bei Regeneration tauchen neue Zellen auf und es tauchen auch neue Zellzustände auf. Was ich damit meine, ist, die Fibroblasten beispielsweise, die Zellen, die für das Narbengewebe zuständig sind, ändern ihr Genexpressionsmuster, also ändern die Gene, die aktiv abgelesen und produziert werden. Es tauchen also neue Fibroblasten auf, die man im gesunden Herz eigentlich gar nicht sehen würde.
Und wir wollten verstehen, ob die einen positiven Einfluss auf die Regeneration haben und wir wollten wissen, wo die herkommen. Wenn wir wissen, wo diese neuen Fibroblasten, die nur transient zu beobachten sind, wo die herkommen, dann können wir vielleicht auch besser verstehen, wie sie aktiviert werden und könnten vielleicht versuchen, so einen ähnlichen Prozess im Säugetier oder im Menschenmodell nachzustellen.
Herausforderungen der menschlichen Regeneration
Was ich mich jetzt frage: Warum können wir Menschen nicht, was diese Fische können? Also fehlt dem menschlichen Herzen, den menschlichen Zellen nach einem Infarkt einfach nur der richtige Signalstoff, um diesen Reparaturbefehl zu geben, oder haben wir das Signal, aber unsere Zellen verstehen dieses Signal einfach nicht? Woran liegt das?
Das ist eine total spannende Frage und ich fürchte, ich werde Ihnen da keine ganz befriedigende Antwort geben können. In der Tat haben wir die Signale oder haben wir sie nicht? Und wenn wir die Signale haben, vielleicht können wir sie nicht richtig interpretieren. Das sind grundsätzlich die Möglichkeiten. Es ist sicherlich auch so, dass das mehr als ein Signal ist, was für die Herzregeneration wichtig ist.
Es gibt vielleicht in Menschen fundamentale Barrieren, aber vielleicht gibt es auch Barrieren, die man irgendwie überwinden kann. Es ist bekannt, dass Säugetiere grundsätzlich ihr Herz nicht oder meistens nicht gut regenerieren können. Lass es mich so formulieren: Aber in der Maus ist bekannt, dass bis zu zwei Tage nach der Geburt Regenerationsfähigkeit besteht, die dann danach quasi komplett verloren geht.
Also es ist nicht so, dass Säugetiere grundsätzlich keine Regenerationskapazität im Herzen haben. Und damit ist die Aufgabe vielleicht, so eine schlummernde Regenerationsfähigkeit wieder zu erwecken. Und warum haben die Zebrafische das und warum haben wir das nicht? Das ist eine gute Frage, auf die, glaube ich, niemand eine Antwort hat.
Man kann es vielleicht auch umdrehen: Vielleicht ist es gar nicht so speziell, dass Zebrafische die Fähigkeit haben. Es sind noch andere, ich sage mal, niedrigere Wirbeltiere, bei denen man eine ähnliche Regenerationskapazität gefunden hat. Jetzt nicht alle Fische, aber manche. Auch das Axolotl ist ein Meister der Regeneration, auch im Herzen.
Hypothesen zur Regeneration
Also warum haben Menschen, Säugetiere das verloren? Ich kann nur spekulieren, aber ich kann Ihnen zwei Hypothesen geben. Die eine ist, dass Regenerationsfähigkeit vielleicht den Nachteil hat, dass es mit einer höheren Wahrscheinlichkeit für eine Krebserkrankung einhergehen könnte, wenn man Zellteilung ermöglicht und da geringere Barrieren hat. Das mag sein und ist bei einem Lebewesen wie uns mit einer längeren Lebenserwartung vielleicht ein wichtigerer Faktor als beim Zebrafisch, der nur wenige Jahre lebt.
Das andere ist, dass Säugetiere im Vergleich zu wechselwarmen Tieren wie Amphibien oder Fischen einen höheren Blutdruck haben. Und das bedeutet, dass das Herz mechanisch stabiler und fester sein muss. Vielleicht können wir es uns wegen unseres hohen Blutdrucks einfach nicht leisten, dass wir einen Teil unserer Zellen im Herzen in den embryonalen Zustand zurückgehen lassen, weil dann die Kontraktions- und Pumpfähigkeit des Herzens zu sehr beeinträchtigt wäre.
Zukunft der Forschung
Wenn ich jetzt so zwischen den Zeilen richtig gehört habe, ist an sich denkbar, dass es eine medikamentöse Therapie geben könnte, prinzipiell. Prinzipiell würde ich das für denkbar halten. Versprechen kann ich Ihnen da nichts. Ich glaube, man muss hier ein bisschen differenzieren. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie man über so eine Therapie nachdenken könnte.
Wirklich neue Herzmuskelzellen, die der Mensch selber aus sich heraus schafft, ist vielleicht das höchste Ziel. Auf der anderen Seite können wir vielleicht diese Prozesse, die in der Umgebung, in der Nische, in den zur Regeneration beitragenden Zellen stattfinden, besser verstehen, um nach einem Herzinfarkt die Schäden, die entstehen, überhaupt zu minimieren oder um die Schäden, die aus einer Narbe entstehen, zu reduzieren.
Wir haben zum Beispiel gefunden, dass im Zebrafisch die Entzündungsreaktion, die unmittelbar nach der Herzverletzung auftritt, sehr genau kontrolliert ist. Wenn man künstlich mehr Entzündung herbeiführt, ist das schlecht für die Regeneration. Wenn man die Entzündung zu weit absenkt, ist das schlecht für die Regeneration. Wenn wir sie nur leicht absenken, hat das tatsächlich auch im Zebrafisch einen positiven Einfluss und macht die Regeneration noch mal effizienter. Daraus kann man vielleicht was für die Menschen lernen.
Denn wir wissen auch aus vielen anderen Systemen, dass eine überschießende Immunreaktion und Entzündungsreaktion schädlich sein kann. Das könnte einem zum Beispiel die Idee geben, die Entzündung nicht ganz zu unterbinden, aber leicht zu modulieren. Vielleicht kann man da schon für Patienten einiges leisten. Das war jetzt ein Beispiel. Da gibt es sicher noch viele andere, wie man auch in kleineren Schritten einen großen Vorteil für Menschen schaffen kann, auch ohne dass man das komplette Programm aus dem Zebrafisch transplantiert.
Ausblick auf zukünftige Fragen
Da kommen wir schon zu meiner letzten Frage: Welche Fragen beschäftigen Sie denn jetzt weiter? Was erhoffen Sie sich in den nächsten Monaten und Jahren zu erforschen? In der Herzregeneration haben wir den Einfluss von Entzündungsreaktionen untersucht. Etwas anderes, was ich noch nicht erwähnt habe, ist der Einfluss von Fibroblasten. Das sind die Zellen, die das Narbengewebe machen und die man oft als nachteilig oder schädlich betrachtet, weil sie die pumpfähigen Herzmuskelzellen ersetzen.
Was wir gesehen haben, ist, dass diese Fibroblasten aber einen positiven, proregenerativen Einfluss haben, wahrscheinlich indem sie Stoffe aussenden, die den Herzmuskelzellen helfen, in den embryonalen Zustand zurückzugehen. Wir haben die Rolle dieser Zelltypen, dieser Fibroblasten, feststellen können. Wir wissen aber noch nicht genau, wie das funktioniert. Und wir wissen auch noch nicht so genau, wie man die Fibroblasten in diesen proregenerativen Zustand bringen kann.
Das sind wichtige Fragen, denen wir uns jetzt widmen wollen. Das könnte einem zum Beispiel auch ermöglichen, die Botenstoffe, die im Zebrafisch einen positiven Einfluss haben, in der Maus oder in Herzmuskelzellen in Kultur zu testen als nächsten Schritt in Richtung Therapie. Aber es gibt noch viele andere Fragen in dem Feld. Auch der Stoffwechsel der Herzmuskelzellen ändert sich während der Regeneration. Das würden wir uns auch gerne ansehen.
Und wie ich eingangs sagte, nicht nur das Herz kann sich regenerieren. Die Bauchspeicheldrüse tut das auch im Zebrafisch. Das funktioniert nochmal ganz anders und das finden wir auch spannend.
Abschluss
Das sagt Professor Jan Philipp Juncker vom Max Delbrück Center in Berlin. Vielen Dank für Ihre Zeit und das spannende Gespräch. Ich bedanke mich bei Ihnen, Herr Mikulajczyk. An dieser Stelle möchte ich auch für die Produktion dieser Folge danken. Die kam diese Woche von Benjamin Serdani. Damit sind wir am Ende des Forschungsquartetts für diese Woche. Immer donnerstags erscheint eine neue Episode. Großartig wäre, wenn ihr wieder reinhört.
Und wir freuen uns besonders, wenn ihr genau einem weiteren wissenschaftsbegeisterten Menschen vom Podcast erzählt. Mein Name ist Wieland Mikulajczyk. Vielen Dank euch fürs Zuhören. Bleibt neugierig und bis zum nächsten Mal. Das Forschungsquartett – Wissenschaft bei detektor.fm, in Kooperation mit dem Max Delbrück Center.
Foto: Pablo Castagnola, Max Delbrück Center