Wie aus neuralen Stammzellen gezielt Nervenzellen werden

Wie Natriumchlorat aus neuralen Stammzellen Neuronen differenziert

  • Abb. 1: Sulfatierung am Golgiapparat und Inhibition der Sulfatierung durch Natriumchlorat. A. Natriumchlorat dringt in die Zellen ein und nimmt Einfluss auf die Katalyse der Chondroitinsulfat- (CS-) und Heparansulfat- (HS-) spezifischen Sulfotransferasen, die im Golgiapparat lokalisiert sind. B. Beispielhaft ist hier die Sulfatierung von Chondroitinsulfatseitenketten dargestellt. Als Sulfatdonor für die Enzyme Chondroitinsulfat-6-Sulfotransferase (C6ST), Chondroitinsulfat-4-Sulfotransferase (C4ST), Chondroitinsulfat/Dermatansulfat-2-Sulfotransferase (CS/DS2ST), und N-Acetylgalactosamin-4-6-Sulfotransferase (GalNAc4-6ST) wirkt das 3´-Phosphoandenosin-5´-phosphosulfat (PAPS). Die enzymatische Generierung von PAPS kann durch Natriumchlorat inhibiert werden und damit steht den Sulfotransferasen kein Sulfat zur Sulfatierung der CS- und HS-Seitenketten im Golgiapparat zur Verfügung. Roter Punkt: Sulfat, PAP: Phosphoadenosinphosphat, NaCO3: Natriumchlorat, GlcA: Galactosamin, GalNAc: N-Acetylgalactosamin. Auf die Darstellung von Wasserstoff wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet. Abb. 1: Sulfatierung am Golgiapparat und Inhibition der Sulfatierung durch Natriumchlorat. A. Natriumchlorat dringt in die Zellen ein und nimmt Einfluss auf die Katalyse der Chondroitinsulfat- (CS-) und Heparansulfat- (HS-) spezifischen Sulfotransferasen, die im Golgiapparat lokalisiert sind. B. Beispielhaft ist hier die Sulfatierung von Chondroitinsulfatseitenketten dargestellt. Als Sulfatdonor für die Enzyme Chondroitinsulfat-6-Sulfotransferase (C6ST), Chondroitinsulfat-4-Sulfotransferase (C4ST), Chondroitinsulfat/Dermatansulfat-2-Sulfotransferase (CS/DS2ST), und N-Acetylgalactosamin-4-6-Sulfotransferase (GalNAc4-6ST) wirkt das 3´-Phosphoandenosin-5´-phosphosulfat (PAPS). Die enzymatische Generierung von PAPS kann durch Natriumchlorat inhibiert werden und damit steht den Sulfotransferasen kein Sulfat zur Sulfatierung der CS- und HS-Seitenketten im Golgiapparat zur Verfügung. Roter Punkt: Sulfat, PAP: Phosphoadenosinphosphat, NaCO3: Natriumchlorat, GlcA: Galactosamin, GalNAc: N-Acetylgalactosamin. Auf die Darstellung von Wasserstoff wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet.
  • Abb. 1: Sulfatierung am Golgiapparat und Inhibition der Sulfatierung durch Natriumchlorat. A. Natriumchlorat dringt in die Zellen ein und nimmt Einfluss auf die Katalyse der Chondroitinsulfat- (CS-) und Heparansulfat- (HS-) spezifischen Sulfotransferasen, die im Golgiapparat lokalisiert sind. B. Beispielhaft ist hier die Sulfatierung von Chondroitinsulfatseitenketten dargestellt. Als Sulfatdonor für die Enzyme Chondroitinsulfat-6-Sulfotransferase (C6ST), Chondroitinsulfat-4-Sulfotransferase (C4ST), Chondroitinsulfat/Dermatansulfat-2-Sulfotransferase (CS/DS2ST), und N-Acetylgalactosamin-4-6-Sulfotransferase (GalNAc4-6ST) wirkt das 3´-Phosphoandenosin-5´-phosphosulfat (PAPS). Die enzymatische Generierung von PAPS kann durch Natriumchlorat inhibiert werden und damit steht den Sulfotransferasen kein Sulfat zur Sulfatierung der CS- und HS-Seitenketten im Golgiapparat zur Verfügung. Roter Punkt: Sulfat, PAP: Phosphoadenosinphosphat, NaCO3: Natriumchlorat, GlcA: Galactosamin, GalNAc: N-Acetylgalactosamin. Auf die Darstellung von Wasserstoff wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet.
  • Abb. 2: Natriumchlorat reduziert die Sulfatierung von extrazellulären Matrixproteinen. Die immunhistochemische Detektion des 473HD-Epitops (grün) und der Rezeptorphosphotyrosinephosphatase beta Isoform (RPTP beta, rot) wurde auf Semidünnschnitten von Neurosphären durchgeführt, die mit (NaClO3) oder ohne (Kontrolle) Natriumchlorat gewachsen sind. Das 473 Epitop mit seinen Chondroitinsulfat-Seitenketten ist deutlich geringer vorhanden während das Protein RPTP beta selbst, das diese Chondriotinsulfat-Seitenketten unter anderem besitzt, nicht reduziert ist. Der Farbstoff Hoechst 33528 wurde zur Darstellung der Zellkerne verwendet (blau). Maßstab: 50µm. Reproduziert und modifiziert nach [5], Figure 2 B.
  • Abb. 3: Natriumchlorat beeinflusst die morphologische und funktionale Reifung von Neuronen aus neuralen Stammzellen. A-D Vergleichendes  Überleben und vergleichende Neuritenmorphologie von Neuronen die aus neuralen Stammzellen differenziert wurden. Die Zahl der apoptotischen Zellen (Caspase 3 positiv, rot, A und B) in Natriumchlorat-behandelten Kulturen ist nicht höher als in Kontrollkulturen von differenzierten neuralen Stammzellen. Die Anzahl der MAP2-positiven Neuronen (rot) in Natriumchlorat-behandelten Kulturen ist signifikant höher als in den Kontrollen. E. Darstellung der Auszählungen, MAP2-positive Zellen sind signifikant mehr vorhanden in den NaClO3 (Natriumchlorat)-behandelten Kulturen. F, G. Der Anteil an TAU-positiven Zellen von MAP“-positiven Zellen ist bei NaClO3-Behandlung allerdings geringer. TAU (grün) färbt selektiv Axone an während MAP2 (rot) bevorzugt den somatodendritischen Bereich der Neuronen färbt. Der Farbstoff Hoechst 33528 wurde zur Darstellung der Zellkerne verwendet (blau). Maßstab: 25 µm. Reproduziert und modifiziert nach [5], Figure 7.

Supplement Material des Artikels von Teresa Tsai, Michael Karus et al., Ruhr-Universität Bochum aus der BIOforum 02/2012

Zusammenfassung des Artikels:

Möglichkeiten für Stammzelltherapien sind im Laufe der letzten Jahre in vielfältiger Weise vorangetrieben worden, wobei allerdings nur sehr wenige die Klinikreife erlangten. Eine seit Jahrzehnten etablierte Therapie ist der Ersatz von Stammzellen des blutbildenden Systems. Diese Therapie basiert ursprünglich auf dem rechtzeitigen Auffinden von serotypologisch passenden Knochenmarkspendern mit entsprechender invasiver OP für den Spender. Mittlerweile gelten aber auch Nabelschnurblut und die Interleukin-basierte Aktivierung der Knochenmarksstammzellen zur anschließenden Filtration aus dem peripheren Blut als Möglichkeiten für den Ersatz von Stammzellen des Blutes. Weitere Ersatztherapien stecken noch eher in den Kinderschuhen, so auch die zum Ersatz von Neuronen.

Experimentelle Transplantationen in den 80er Jahren des 20. Jahrhunderts mittels mesenchymaler Stammzellen, als Ersatz für den Verlust von dopaminergen Neuronen, bei Parkinson konnten signifikante Erfolge vorweisen. Jedoch war diese Therapiemöglichkeit aus Gründen der Ethik nur experimentell angelegt, da die Quelle der Stammzellen abgetriebene Föten waren.

In der Zwischenzeit sind die Quellen für Stammzellen vielfältiger geworden, vor allem um ethischen Bedenken der Forscher und der Öffentlichkeit entgegen zu wirken. Waren humane embryonale Stammzellen jahrelang im Fokus der Forschung und der öffentlichen Diskussion, so nehmen nun die induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs, induced pluripontent stem cells) diesen Platz ein und umgehen so einen Großteil der ethischen Bedenken. Dennoch gelten die humanen embryonalen Stammzellen bis auf weiteres als Standard für die Charakterisierung der iPS Zellen, da diese aufgrund ihrer somatischen Herkunft und ihres Alters Mutationen angehäuft haben können, die die Zellfunktionen als Stammzelle nachhaltig negativ beeinflussen könnten.

Die gezielte pharmakologische Beeinflussung der Zellen hat den Vorteil, dass sie sich im Gegensatz zu genetischen Ansätzen sehr variabel und reversibel einsetzen lässt.

Daher beschäftigt immer mehr Forscher die Frage, wie die Effizienz der Entwicklung hinsichtlich eines bestimmten Zelltyps auch pharmakologisch gezielt beeinflusst werden kann. Das Eingreifen in biochemische Prozesse erfordert jedoch auch eine genaue Kenntnis des Wirkmechanismus.

In einer neuen Studie konnte nun gezeigt werden, dass mithilfe der Substanz Natriumchlorat nicht nur das Sulfatierungsmuster der extrazellulären Matrixproteine von neuralen Stammzellen des Rückenmarks unterdrückt und damit verändert werden kann sondern auch, dass diese Änderung weitreichende Folgen für die weitere Entwicklung und Differenzierung der neuralen Stammzellen hat.

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