Systemische Reaktionen werden ausgelöst, wenn in vielen Organismen eine Verletzung auftritt, und können die Heilung und Regeneration unterstützen; Dies wurde bei Mäusen, Salamandern, Zebrafischen und Planarien beobachtet. Bei Planarien fanden die Forscher heraus, dass der ERK-Signalweg, der sich schneller als bisher angenommen entlang der Muskelzellen der Körperwand ausbreitet, für die Regeneration entscheidend ist. Dies impliziert einen koordinierten Entscheidungsprozess zur Regeneration des gesamten Körpers, der auch Einblicke in die Entstehung von Krebs liefert: wie eine nicht verheilte Wunde.

Bei manchen Organismen kann eine Schädigung eines Körperteils die Heilung eines anderen Teils auslösen. Neuere Erkenntnisse legen nahe, dass es sich bei dieser systemischen Reaktion nicht um eine Nebenwirkung, sondern um ein Hauptmerkmal handelt.

Bei Mäusen mit einer Verletzung an einem Bein „erwachten“ Stammzellen im anderen Bein, als würden sich die Zellen darauf vorbereiten, die Verletzung zu heilen. Ähnliches passiert mit Salamandern, die Meister der Gliedmaßenregeneration sind. Herzschäden beim Zebrafisch lösen bestimmte Veränderungen in entfernten Organen wie den Nieren und dem Gehirn aus.

„Bei vielen verschiedenen Organismen kann man Ganzkörperreaktionen auf Verletzungen beobachten. Aber ob diese Reaktionen tatsächlich etwas bewirken, ist unklar“, sagte Bo Wang, Assistenzprofessor für Bioingenieurwesen an der Stanford University. „Darauf konzentrieren wir uns.“

In einem neuen Artikel, der in der Fachzeitschrift Cell veröffentlicht wurde, fanden Wang und Kollegen heraus, dass diese Ganzkörperkoordination ein wesentlicher Bestandteil der planaren Wundheilung und der anschließenden Geweberegeneration ist. Zu verstehen, was die Regeneration ein- und ausschaltet und wie sie koordiniert wird, könnte auch die Forschung zu Krebs beeinflussen, der oft als eine Wunde betrachtet wird, die niemals heilt.

Planarien sind nur einen halben Zoll lange Plattwürmer mit einer Superkraft: Sie können sich in fast jeder Situation regenerieren. Schneiden Sie einen Planarien in vier Teile und Sie haben in ein paar Tagen vier neue Plattwürmer. Wie bei Mäusen, Zebrafischen und Salamandern scheint eine Wunde in einem Teil des Planarienkörpers eine Reaktion in weiter entfernten Geweben auszulösen.

Wang wollte verstehen, wie diese Reaktionen koordiniert wurden. Ein möglicher Mechanismus ist der extrazelluläre signalbezogene Kinase-Weg (ERK). Zellen nutzen den ERK-Weg, um miteinander zu kommunizieren und Signale in Form von Wellen zu senden. Wenn Gewebe verletzt wird, „gibt“ die nächstgelegene Zelle diese Information an benachbarte Zellen weiter, die es wiederum ihren Nachbarn mitteilen. Diese Welle breitet sich in einer Art Telefonspiel im gesamten Organismus aus.

Jetzt gibt es nur noch ein Problem: Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass sich ERK-Wellen zu langsam bewegen, um von Nutzen zu sein. „Wenn ich ein Signal mit einer Geschwindigkeit von 10 Mikrometern pro Stunde ausbreite, kann es mehrere Tage dauern, bis es einen Millimeter durchläuft“, sagte Wang. Bei dieser Geschwindigkeit werden Signale zu langsam von einem Bereich des Wurms zum anderen weitergeleitet, um die Wundheilung und Regeneration zu unterstützen.

Zu verstehen, was die Regeneration ein- und ausschaltet, könnte zu Fortschritten bei medizinischen Behandlungen und Interventionen führen, auch mit krebsbedingten Auswirkungen. Bildquelle: Wang Lab/Stanford University School of Engineering

Für den Menschen stellt dies möglicherweise kein Problem dar. Unser Kreislaufsystem ermöglicht möglicherweise eine schnelle Signalübertragung durch unseren Körper. Aber Planarien verfügen nicht über ein Kreislaufsystem, das diesen Prozess beschleunigen könnte.

Also begannen Wang und seine Kollegen, die Ausbreitung der ERK-Wellen von einem Ende des Tieres zum anderen zu verfolgen. Sie fanden heraus, dass Signale mehr als 100-mal schneller übertragen wurden als zuvor. Anstatt sich entlang der extralangen Muskelzellen der Körperwand auszubreiten, breiten sich ERK-Wellen entlang der extralangen Muskelzellen der Körperwand aus. Diese Zellen fungieren als „Autobahnen“, die Signale von einem Ende des Körpers zum anderen weiterleiten. Nicht Tage, sondern Stunden.

Die Signale waren schnell genug, um bei der Behandlung zu helfen, aber sie wussten immer noch nicht, ob der gesamte Körper betroffen war.

Um das herauszufinden, schnitt Fan Yuhang, ein Doktorand in Wangs Labor, dem Planarier den Kopf ab. Typischerweise wächst der Kopf eines Planarien nach der Enthauptung schnell aus dem restlichen Körper nach. Aber Fan blockierte die Ausbreitung des ERK-Signals in die hintere Hälfte des Organismus, um zu testen, ob ERK-Wellen für die Koordination der Heilungsreaktionen über große Entfernungen verantwortlich sind. Wenn die ERK-Signalisierung blockiert ist, heilt der Kopf nicht nur langsamer, er regeneriert sich überhaupt nicht.

Als nächstes fragte sich Fan, ob es möglich sei, den Regenerationsprozess zu „retten“, und testete dies, indem er den Schwanz des Planarientiers entfernte, was das Schwanzgewebe auf Schäden aufmerksam machen würde. Der Schwanz wuchs nach und überraschenderweise wuchs auch der Kopf nach.

„Was wirklich interessant ist, ist, dass wir die Zeitverzögerung zwischen Amputationen anpassen können“, sagte Wang. Wenn Sie dem Planarien innerhalb weniger Stunden nach der ersten Verletzung den Schwanz abschneiden, können Sie den blockierten Heilungsprozess neu starten. Aber wenn Sie zu lange warten, regeneriert sich keiner von beiden.

„Das bedeutet, dass es ein System im Organismus gibt, das abstimmt: ‚Okay, jetzt sollten wir etwas anbauen‘, und alle müssen zustimmen“, sagte Wang. Selbst die am weitesten entfernten Zellen haben ein Stimmrecht.

Viele Tiere – wie Planarien, Seesterne und Salamander – weisen Heilungs- und Regenerationsfähigkeiten auf, die die des Menschen bei weitem übertreffen. Das Verständnis, warum uns diese Fähigkeit fehlt, könnte zu Fortschritten bei medizinischen Behandlungen und Interventionen führen, auch mit krebsbedingten Auswirkungen.

„Keiner von uns möchte, dass das Gewebe ständig verletzt ist. Das könnte zu Krebs führen“, erklärt Wang. Seine Forschung zeigt, dass selbst bei diesen Würmern, die über erstaunliche Regenerationsfähigkeiten verfügen, die Regeneration die meiste Zeit „ausgeschaltet“ ist, bis der gesamte Körper zustimmt, dass es Zeit ist, „einzuschalten“.

Als Wang und seine Kollegen außerdem die ERK-Wellen verfolgten, die sich in den Planarien ausbreiteten, bemerkten sie, dass Hunderte von Genen ein- und ausgeschaltet wurden. Obwohl Menschen und Planarien sehr entfernt miteinander verwandt sind, haben wir viele gemeinsame Gene.

„Dies gibt uns einen Einstiegspunkt in die Verfolgung dieser Gene, wodurch wir herausfinden können, wie sich Tiere regenerieren und gleichzeitig das Risiko eines unkontrollierten Krebswachstums kontrollieren.“