Zahnentwicklung: Signalzentren entstehen durch Druck

Forschende der University of California, der TU Dresden in Deutschland und Cedars-Sinai Guerin Children's in Los Angeles haben einen Mechanismus identifiziert, durch den sich embryonale Zellen organisieren, um Signale an umliegende Zellen zu senden und ihnen mitzuteilen, wohin sie gehen und was sie tun sollen . Während diese Signalzentren der Wissenschaft schon seit einiger Zeit bekannt sind, war die Art und Weise, wie einzelne Zellen zu Organisatoren werden, bis jetzt ein Rätsel.

Untersucht wurden insbesondere Signalzentren (hier Schmelzknoten) und deren Entstehung. Dabei stellten die Forschenden fest, dass mechanischer Druck maßgeblich an der Entstehung der Schmelzknoten beteiligt ist, die für die als Signalzentren für die Zellinduktion verantwortlich sind [Gängler et al., 2010; Shroff et al., 2024].

Während der Embryogenese übernehmen bestimmten Zellen die Funktion, Signale an andere Zellen senden und den Aufbau komplexer Organe zu koordinieren. Dazu werden von den Zellen der Signalzentren Moleküle an umgebende Zellen gesendet. Fehler bei der Platzierung dieser Signalzentren im Gewebe können zu schweren embryonalen Fehlbildungen führen. Im Ergebnis ist es der mechanische Druck im Inneren des wachsenden Gewebes, der bestimmt, wo das Signalzentrum entstehen wird. Aber nicht nur die Signale, auch die Verteilung der „Signalzentren“ ist für die Zellen ausschlaggebend – ähnlich wie Handymasten für den Telefonempfang.Kommt es im Embryo zu Fehlern bei der Platzierung der Organisatoren im Gewebe, ist der Empfang weg und die Zellen verlieren ihre Navigationsbefehle. Das führt zu teils tödlichen Fehlbildungen.

Die in-vitro Studie zeigt, dass die Zellen im embryonalen Schneidezahn während ihres Wachstums den ansteigenden Druck spüren und diese Information nutzen, um sich zu organisieren. Im Schneidezahnknoten vermehren sich die Zellen zunächst auf engem Raum. Der Druck, der dadurch in der Mitte aufgebaut wird, führt schließlich zur Bildung eines Clusters spezialisierter Zellen. Die Zellen, die auf die am meisten Druck ausgeübt wird, hören durch diesen Reiz auf zu wachsen und beginnen, Signale zu senden, um die anderen Zellen in der Umgebung des Zahns zu organisieren.

„Direkte mechanische Messungen deuten darauf hin, dass die durch die Zellproliferation erzeugten Spannungen vom umgebenden Gewebe abgefangen werden, wodurch ein kreisförmiges Muster mechanischer Anisotropie entsteht, in dessen Zentrum sich eine Region mit hoher Druckspannung befindet […]“, heißt es in der Studie [Shroff et al., 2024]. Diese wird schließlich zum Schmelzknoten. Um die These zu stützen, hemmten die Forschenden in einem ihrer Versuche die Zellproliferation. Durch den ausbleibenden Druck entstanden in diesem Versuch keine Schmelzzentren.

„Unsere Arbeit zeigt, dass sowohl der mechanische Druck als auch die molekulare Signalübertragung bei der Organentwicklung eine Rolle spielen“, resümiert Mitautor Prof. Ophir Klein. „Wenn wir verstehen, wie ein Embryo Organe bildet, können wir herausfinden, was bei Kindern mit angeborenen Fehlbildungen schiefging„, meint Prof. Klein. “Daraus könnten weitere Forschungen darüber folgen, wie Geburtsfehler entstehen und verhindert werden können."

Die Wissenschaftler erhoffen sich durch die Ergebnisse ihrer Arbeit einen weiteren Schritt in Richtung eines tiefgreifenderen Verständnisses für die Entstehung von embryonalen Fehlbildungen.