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Entwicklungsphysiologie: Von der Blase zur Röhre

Das Gefäßsystem kann ernste Probleme bereiten: Verstopfen wichtige Adern, drohen Herzinfarkt und Schlaganfall. Das Schlimmste könnte vielleicht abgewendet werden wenn es gelänge, neue Adern wachsen zu lassen. Bevor Ärzte aber daran gehen, sollten sie aber erst einmal verstehen, wie die Natur dieses Kunststück vollbringt.
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In ihnen pulsiert das Leben. Sie tragen Nährstoffe und den lebensnotwendigen Sauerstoff bis in den letzten Winkel des Körpers, in ihnen treiben Signalstoffe zu ihren Zielorten und die Immunzellen nutzen sie, um zu ihrem Einsatzort zu gelangen. Keinesfalls dürfen sie verstopfen oder reißen – die Folgen wären fatal.

Blutgefäße sind weit mehr als einfache Röhren, sie sind multifunktionelle Autobahnen durch den Körper mit einem dreischichtigen Aufbau: Innen sind sie mit Epithelzellen ausgekleidet, auf deren Außenseite elastische Fasern liegen, darüber folgt eine Schicht aus glatten Muskelzellen und ganz außen schließen sie mit Bindegewebszellen ab, welche die Blutbahnen im Gewebe verankern.

Doch wie wachsen diese komplexen Gebilde, die schließlich fein verästelt den ganzen Körper durchziehen? Bisher konnte das Röhrensystem das Geheimnis um seine Entstehung – verborgen im Köper den neugierigen Blicken der Forscher entzogen – weitgehend für sich behalten. Zu schwierig ist der Blick unter die Haut. Die Wissenschaft behalf sich deswegen mit einem Trick: Sie nahm Zellen des Gefäßsystems und ließ sie in der Petrischale wachsen. Aufgrund solcher Versuche vermutet man, dass Blutgefäße durch die Fusion von Vakuolen – flüssigkeitsgefüllten Bläschen innerhalb der Zellen – entstehen. Ob das im lebenden Organismus genauso vonstatten geht wie im Labor, kann indes niemand mit Gewissheit sagen.

Brant Weinstein von den National Institutes of Health konnte nun zusammen mit seinem Team das Geheimnis um die Entstehung der Blutgefäße im lebenden Tier lüften. Die Wissenschaftler kombinierten Zellkulturexperimente mit Versuchen am Zebrafisch. Dieser kleine tropische Fisch ist in der Wissenschaft sehr beliebt: Es lässt sich einfach genetisch manipulieren und sein durchsichtiger Embryo gewährt freizügig den Blick in sein Innerstes.

Als erstes machte sich nun das Forscherteam daran, die Blutgefäße im Fischembryo deutlich sichtbar zu machen. Mit einem genetischen Trick behängte es die Epithelzellen mit einem fluoreszierenden Protein, sodass diese unter dem Mikroskop in leuchtendem Grün erstrahlten. Dem Tier indes machte diese Behandlung nichts aus, es entwickelte sich ganz normal wie unbehandelte Artgenossen.

In den so präparierten Fisch schauten die Wissenschaftler dann mit der so genannten Zwei-Photonen-Mikroskopie. Damit entdeckten sie in den wachsenden Blutgefäßen der Fischembryonen Vakuolen, die denen glichen, die bereits vorher in Zellkulturen humaner Epithelzellen beobachtet worden waren. Doch sind diese Hohlräume auch wirklich für die Entstehung von Blutgefäßen von Bedeutung?

Als das Team in kurzen zeitlichen Abständen Aufnahmen von den sich entwickelnden Blutgefäßen machte, konnte es beobachten, wie im Minutentakt neue Vakuolen entstanden, miteinander verschmolzen, größer wurden und schließlich einen großen Hohlraum bildeten, der fast die ganze Zelle ausfüllte.

Nun wollten die Forscher wissen, ob sich diese hohlen Zellen auch noch – wie es für die Ausbildung eines Gefäßsystems notwendig wäre – zu einer langen, mehrzelligen Röhre zusammenschließen. Dazu betteten sie Endothelzellen in ein dreidimensionales Gel ein und legten sie unter das Mikroskop. Tatsächlich nahmen die Zellen miteinander Kontakt auf und ihre Vakuolen verschmolzen miteinander, wobei sich das Zellplasma aber nicht vermischte. Zumindest im Labor entstanden also auf diese Art Röhren.

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Entstehung von Blutgefäßen. | Intrazelluläre Vakuolen verschmelzen miteinander und bilden Hohlräume, die sich über mehrere Zellen hinweg erstrecken. Grün: Endothel, rot: Tracersubstanz, die in den Hohlraum injiziert wurde und sich von einem Kompartiment ins nächste ausbreitet. Die Vakuole im Bild ganz oben füllt sich gerade mit Tracersubstanz, die aus der darunter liegenden Zelle eindringt.
Doch läuft dies auch so im lebenden Organismus ab? Um diese Frage zu klären, injizierte das Team einen rot leuchtenden Farbstoff ins Blutgefäßsystem von Zebrafischembryos. Wie erwartet breitete sich der Farbstoff in Fließrichtung des Blutes von Vakuole zu Vakuole aus.

Demnach entstehen Blutgefäße tatsächlich aus Vakuolen, die sich mit denen aus benachbarten Zellen verbinden, bis schließlich eine lange Röhre daraus wird, in denen der kostbare Lebenssaft pulsiert.

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