Einführung in den Axolotl
Der Axolotl, das ist so ein kleiner, zartroser Lurch. Vielleicht kennt ihr den. Und der kann Gliedmaßen, Organe und sogar Teile seines Herzens einfach neu wachsen lassen. Und das ist natürlich für Forschende extrem interessant. Deshalb versucht man, den biologischen Bauplan des Axolotl endlich mal zu entschlüsseln. Unser Thema heute im Spektrum Podcast. Mein Name ist Marc Zimmer. Schön, dass ihr dabei seid. Spektrum der Wissenschaft, der Podcast von detektor.fm.
Regeneration und Faszination
Stellt euch mal vor, ihr verliert einen Finger oder, noch schlimmer, gleich den ganzen Arm oder ein ganzes Bein. Das gibt es ja leider relativ oft. Heute denken wir nur an irgendwelche Auto- oder Arbeitsunfälle. Und wie krass wäre es dann, wenn diese verlorenen Gliedmaßen einfach wieder nachwachsen würden? Für den Axolotl ist das kein Science-Fiction-Szenario, sondern ganz normal. So läuft das nämlich bei ihm ab. Sein Körper baut Knochen, Muskeln, Haut und Nerven einfach wieder nach. Und zwar auch noch an der richtigen Stelle und in der richtigen Form.
Und dieser kleine Lurch kann dadurch nicht nur seine Gliedmaßen regenerieren, sondern auch Teile von Herz, Rückenmark, Gehirn und sogar Augen nach Verletzungen nachwachsen lassen. Genau deshalb fasziniert der Axolotl die Wissenschaft. Ist ja klar, man will das Geheimnis entschlüsseln, wie er das macht. Die Erkenntnisse dafür möchte man natürlich zum Beispiel in der Medizin nutzen. Denn die Hoffnungen, die in dieser Forschung stecken, sind riesig. Über diese Forschung wollen wir heute sprechen, und zwar mit Anna Lorenzen. Die ist Redakteurin bei Spektrum und heute mein Gast hier im Podcast. Hallo Anna!
Erinnerungen an den Axolotl
Hallo Marc! Ja, Anna, kurze Geschichte: Wo ich herkomme, da gab es in der Nähe so ein Uhrzeitmuseum, und da sind wir relativ oft mit der Schule hingefahren. Und da gab es so ein kleines Aquarium, wo mehrere dieser Axolotl zu bestaunen waren. Werde ich nie vergessen. Also diese ganz zarten rosa Tierchen mit diesen ein bisschen Knopfaugen und auch so einem bisschen Lächeln. Wenn ihr das mal googelt, könnt ihr mal gucken. Es sieht immer ein bisschen aus, als würden die grinsen.
Was genau ist denn, Anna, ein Axolotl, und was macht diese Tiere so besonders?
Eigenschaften des Axolotls
Ja, also Axolotl sind Amphibien und gehören zur Familie der sogenannten Querzahnmolche. Und in der Freiheit findet man sie tatsächlich nur noch an einem einzigen Ort auf der Welt, und zwar in bestimmten Seen in der Nähe von Mexiko-Stadt. Also super begrenzt und akut vom Aussterben bedroht. Es gibt noch weitere Besonderheiten. Also neben der Fähigkeit, Gliedmaßen nachwachsen zu lassen, werden Axolotl zeitlebens zum Beispiel nicht erwachsen.
Also so, wie man sie kennt, mit diesen Außenkiemen. Das ist quasi ein Dauerlarvenstadium, welches sie ausschließlich im Wasser verbringen. Die meisten Amphibien durchlaufen ja eine Metamorphose, also zum Beispiel von der Kaulquappe zum Frosch. Aber die verantwortlichen Hormone werden beim Axolotl nicht ausgeschüttet. Das liegt an einer evolutionär erworbenen Veränderung der Schilddrüse. Also das alles in Kombination macht sie schon zu sehr ungewöhnlichen kleinen Lurchen.
Ja, sie sehen nicht nur ungewöhnlich aus, sondern sind eben auch regional sehr eingeschränkt, wo es sie noch gibt. Und dass sie nicht erwachsen werden oder nicht groß werden, das ist natürlich auch irgendwie krass.
Regeneration im Detail
Heute geht es natürlich um diese besondere Fähigkeit, ja, ich sag mal, Gliedmaßen nachwachsen zu lassen. Definieren wir das mal noch ein bisschen. Also was kann so ein Axolotl nach einer Verletzung wirklich regenerieren? Also alle seine Gewebe und Organe, die bisher untersucht wurden, können nachwachsen. Es gibt, glaube ich, ganz, ganz wenige Ausnahmen oder wenn die Verletzung wirklich zu schwer ist. Wenn der Kopf jetzt ab ist, dann geht halt nichts mehr.
Aber Kiemen, Gehirn, Herz, Rückenmark, Gliedmaßen, Schwanz, Teile des Auges sind offenbar quasi unzerstörbar. Ja, und das halt nicht in Form von einfach irgendwelchen mittelmäßigen Ersatzteilen, sondern wirklich in Perfektion. Also die sind hinterher wie neu. Und da hört man schon, warum das natürlich wahnsinnig interessant ist.
Aktuelle Forschung
Also man forscht jetzt auch schon eine Weile daran. Die sind ja schon eine Weile bekannt. Was weiß man denn inzwischen darüber, wie das funktioniert? Ja, also das versuchen derzeit Forschende weltweit herauszufinden, unter anderem in Wien am Vienna Bio Center, wo Elli Tanaka die größte Axolotl-Kolonie der Welt hat. Damit Organe oder Gliedmaßen nachwachsen können, muss es eine Art GPS-System geben, das den Zellen sagt, wo sie sich halt befinden im nachwachsenden Körperteil und ob sie jetzt zum Beispiel einen kleinen Finger oder einen Daumen neu formen sollen.
Das ist ja schon mal die Grundvoraussetzung. Und Tanaka und ihr Team haben kürzlich ein sehr wichtiges Element dieses Systems entschlüsselt, und zwar in der Hand des Axolotls. Aber diese Grundprinzipien gelten wohl für alle Gewebe. Also da an der Stelle, wo bei uns das kleine Finger ist, exprimieren die Axolotl das Gen Hand 2, heißt das. Das heißt, aus diesem Gen wird ein Protein, und das dient den Zellen quasi als Positionsgedächtnis.
Sie wissen dann, dass sie zur Seite des kleinen Fingers gehören, weil dieses Protein halt nur hier exprimiert wird. Und wird die Hand dann amputiert, so verstärkt sich dieses Signal in dem verbleibenden Stumpf. Und einige der Zellen beginnen daraufhin, ein weiteres Protein auszuschütten. Und dieses Protein wirkt wie ein Radiosender. Es breitet sich in der Umgebung der Zellen aus, und die Zellen in unmittelbarer Nähe empfangen es und nehmen dann auch die Identität des kleinen Fingers an.
Und weiter entfernte Zellen empfangen das Signal nicht und unterstehen dem Einfluss dann eines anderen Proteins und bilden daraufhin Strukturen des Daumens. Ein ähnliches GPS-System sagt den Zellen auch, ob sie sich an der Schulter, am Bein, am Ellenbogen oder Handgelenk befinden. Voll interessant!
Menschliche Regeneration
Aber das klingt fast ein bisschen wie eine dumme Frage, aber ich stelle sie trotzdem mal: Warum können denn Menschen verlorene Körperteile nicht einfach so nachwachsen lassen? Also jetzt mal im Vergleich. Ja, es ist gar nicht so dumm, weil dieselben GPS-Gene, die ich ja erwähnt habe, die gibt es auch bei Menschen und auch bei anderen Säugetieren. Axolotl haben also nicht so ein magisches Gen für Regeneration. Stattdessen gehen Menschen und die meisten anderen Säugetiere einfach anders mit Verletzungen um.
Also wir starten dann nicht ins Regenerationsprogramm. Spezielle Zellen unserer Haut, sogenannte Fibroblasten, interpretieren eine Wunde als Lücke, die man rasch wieder zusammenflicken muss. Die bilden dabei dann eine Kruste und eine feste Narbe. Und beim Axolotl bildet sich halt nicht so eine Narbe, sondern an der Wunde bilden sich unreife, verjüngte Zellen, aus denen wieder etwas Neues entsteht.
Und bei uns verhindert halt das Narbengewebe, dass da wieder was Neues wächst. Aber wie gesagt, auch wir haben genetisch die Baupläne dafür. Jetzt muss man halt herausfinden, wie man dieses Programm auch bei uns anschalten kann.
Unterschiede in der Wundheilung
Aber nochmal gefragt: Also was macht der Axolotl jetzt quasi anders als wir? Also wie unterscheiden sich seine Zellen nach so einer Wunde oder bei der Wundheilung von unseren? Also die Hautzellen vom Axolotl und auch anderen Salamandern verfolgen nach einer Verletzung eine andere Strategie als wir. Also die Fibroblasten schalten nicht in das Vernarbungsprogramm. Stattdessen formen sie ein sogenanntes Blastem, also einen Haufen von Zellen, die ihre Entwicklungsuhr wieder zurückgedreht haben.
Anstatt die Wunde zu verschließen, starten sie ein Programm neu, das während der Embryonalentwicklung auch schon ablief. Ja, warum haben in der Evolution manche Tiere diese Fähigkeit und andere nicht entwickelt? Da hat man sich das Genom des Axolotls nochmal genau angeschaut und gesehen, dass das Genom voller springender Gene ist, die sich verdoppeln, ihre Position innerhalb der DNA verändern.
Und Fachleute glauben, dass diese Transposone etwas mit dieser Regenerationsfähigkeit zu tun haben. Transposone können nämlich die Steuerelemente von Genen einfach sich schnappen und mitnehmen und an anderer Stelle wieder einfügen in der DNA. Und möglicherweise werden dadurch nach einer Verletzung Gene eingeschaltet, die für die Entwicklung von Armen, Beinen etc. verantwortlich sind und eben nicht für die Wundheilung.
Übertragung auf den Menschen
Und dann ist natürlich die große Frage: Kann man denn diese Mechanismen des Axolotls auf Menschen übertragen? Also das wäre das Ziel, ja. Die Frage ist halt, wie man im Säugetier- bzw. Menschenkörper in dieses Regenerationsprogramm umschalten kann und die Transposone des Axolotls nachzubauen. Das wird nicht möglich sein. Aber die Hoffnung ist, dass man halt diesen regenerationsfördernden Effekt auf die Zellen irgendwie anders erzielen kann.
Und es gilt jetzt halt herauszufinden, was in menschlichen Zellen fehlt, damit sie sich eher wie die eines Axolotls verhalten. Zum Beispiel große Hoffnung hat man für das menschliche Herz. Das Problem ist ja, wenn das Herz geschädigt ist, bilden die Herzmuskelzellen auch so eine steife Narbe, und das Herz kann dann weniger stark pumpen.
Und man hat herausgefunden, dass beim Axolotl in Herzzellen des Randbereichs ein Gen aktiv ist, das bei Mäusen abgeschaltet ist. Und Wissenschaftler haben das Gen dann in den Herzmuskelzellen der Maus aktiviert, in der Petrischale. Und dann gingen die Herzmuskelzellen der Maus ebenfalls wieder in diesen unreifen Zustand über und es wurden Prozesse aktiviert, die auch im jungen Tier aktiv sind. Das ist so ein erster Schritt.
Weitere Anwendungen der Forschung
Und auch bei der Netzhaut des Auges will man halt vom Axolotl lernen, denn auch dieses kann ja nachgebildet werden. Vermutlich gibt es da einen Botenstoff oder ein Element in der extrazellulären Matrix, also das die Zellen umgibt, das die Netzhaut schützt oder die Regeneration einleitet. Und vielleicht könnte man im nächsten Schritt dieses Element auch im entsprechenden Mausmodell aktivieren. Aber bis das natürlich bei Menschen ankommt, ist es noch ein sehr weiter Weg.
Kann ich mir vorstellen. Aber eine abschließende Frage: Der naheliegende Gedanke ist jetzt natürlich, oder Anwendungsgebiet ist, keine Ahnung, Finger abgehackt, lass den nachwachsen, Arm abgerissen, lass den nachwachsen. Aber welche anderen medizinischen Anwendungen wären denn noch denkbar aus dieser Forschung an den Axolotl?
Medizinische Potenziale
Also als Wassertiere bilden die Axolotl so eine Schleimschicht auf ihrem Körper. Und in diesem Schleim befinden sich tausende Peptide. Die haben wohl eine potenziell medizinische Wirkung. Und zum Beispiel Sarah Strauß von der Medizinischen Hochschule Hannover hat im Schleim antimikrobielle Peptide gefunden. Die wirken zum Beispiel gegen MRSA-Keime. Es ist ein antibiotikaresistentes Bakterium, das bei Menschen schwere Wundinfektionen auslöst.
Und drei dieser Peptide gingen in der Petrischale in Kultur sogar gegen Brustkrebszellen vor. Also da können wir vom Axolotl in Zukunft noch ganz viel lernen. Ja, wenn diese Forschung denn dann auch weitergeht und Erfolg hat. Total interessante Wissenschaft, die da gemacht wird.
Abschluss
Und wenn ihr nochmal nachlesen wollt und vielleicht auch noch ein paar Bilder von den Axolotl sehen wollt, dann könnt ihr das tun auf spektrum.de. Und Anna, dir sage ich vielen, vielen Dank fürs Erklären. Sehr gerne!
Und damit sind wir am Ende für diese Woche beim Spektrum Podcast. Euch vielen, vielen Dank fürs Zuhören. Nächsten Freitag gibt es wie immer eine neue Folge. Ich freue mich, wenn ihr auch dann wieder dabei seid. Und wenn ihr bis dahin unseren Podcast abonniert, kommentiert, wenn ihr bewertet und teilt. Auch dafür vielen, vielen Dank. Mein Name ist Marc Zimmer und ich sage Tschüss und macht’s gut. Spektrum der Wissenschaft, der Podcast von detektor.fm. Untertitel von Stephanie Geiges.
Foto: Spektrum der Wissenschaft