MDCK-MRP2 - Dkfz

48
Forschungsschwerpunkt A
Zell- und Tumorbiologie
I. Mechanismen der Epithel-Mesenchym-
Wechselwirkungen zur Steuerung von
Wachstum und Differenzierung normaler
Keratinozyten
Für den Erhalt der Funktion und Struktur von Geweben ist
das Gleichgewicht zwischen Wachstum und Differenzierung,
die Gewebe-Homöostase, unabdingbare Voraussetzung.
Dies wird maßgeblich über Zell-Zell und Zell-Matrix Interaktionen
gesteuert, wobei insbesondere den Epithel-Mesenchym-Wechselwirkungen
eine herausragende Rolle zukommt.
Im Fall der Haut erfolgt dieser Austausch zwischen
der Epidermis und der Dermis als dem zugehörigen Bindegewebe
über die Basalmembran, einer speziellen Struktur
der extrazellulären Matrix. Entsprechend hatten unsere bisherigen
Untersuchungen gezeigt, dass zur Kontrolle epidermaler
Wachstums- und Differenzierungs-Vorgänge zwischen
beiden Gewebekompartimenten äußerst komplexe
Regelkreise existieren.
Diese Studien erfolgten in dem in vitro Modell der organotypischen
Zellkulturen, in dem eine Haut-ähnliche Situation
rekonstruiert wird. Hierbei wachsen Epithelzellen auf
einer extrazellulären Matrix (Kollagen Typ 1) in enger Nachbarschaft
zu hierin eingebetteten Bindegewebszellen und
bilden geschichtete und differenzierende Oberflächenepithelien
mit definierter Struktur und Polarität, vergleichbar
mit dem Ursprungsgewebe der Epidermis [1, 2].
Als experimentelles Bezugssystem für das Wachstums- und
Differenzierungspotential normaler Keratinozyten aus individuellen
Zellpopulationen unter in vivo Bedingungen diente
standardmäßig das etablierte Oberflächen-Transplantations-Modell
auf der Nacktmaus.
1. Cytokine als Mediatoren der dermalepidermalen
Interaktion
N. Maas-Szabowski, A. Fritsch, E. Goedecke,
H.-J. Stark, N.E. Fusenig
In Kooperation mit A. Szabowski, P. Angel, DKFZ; A. Bader,
Universität Leipzig; T. Groth, GKSS, Teltow; FAB, Abano Terme,
Italien
Die Aufrechterhaltung der normalen Gewebehomöostase
in der menschlichen Haut sowie die Entstehung tumorigener
Veränderungen basieren nicht ausschließlich auf
zellautonomen Prozessen, sondern werden auch von Zellen
des gleichen sowie des umliegenden Gewebes beeinflußt.
Als Signalüberträger spielen hierbei Cytokine und
Wachstumsfaktoren eine Rolle, wie Untersuchungen am
in vitro-Hautmodell der organotypischen Cokultur gezeigt
haben [3]. Einige dieser an der Interaktion beteiligten Faktoren
und ihr Zusammenspiel bei der Regulation von Proliferation
und Differenzierung konnten bisher ermittelt werden.
So induziert unter anderem das von Keratinozyten
sezernierte Interleukin-1 die Expression der Wachstumsfaktoren
FGF-7 (fibroblast growth factor-7) und GM-
CSF (granulocyte-macrophage colony stimulating factor)
in Fibroblasten. Die dermalen Faktoren FGF-7 und GM-CSF
wiederum greifen in den Ablauf der Epithelbildung ein, wobei
beide Faktoren die Proliferation der Keratinozyten unterstützen,
GM-CSF jedoch zusätzlich die Differenzierung fördert
[1, 2, 3]. Zur Aufklärung der Regulation der FGF-7
bzw. GM-CSF-modulierten Proliferations- und Differenzierungsprozesse
wurde eine c-DNA-Array-Analyse
durchgeführt, bei der unter anderem IL-18 als Zielgen identifiziert
wurde. IL-18 wird von Keratinozyten nach Stimulie-
Abteilung A080
Differenzierung und Carcinogenese
DKFZ 2004: Wissenschaftlicher Ergebnisbericht 2002 - 2003
rung mit FGF-7 oder GM-CSF freigesetzt und fördert autokrin
die Proliferation der Epithelzellen. Untersuchungen am in
vitro-Hautmodell haben gezeigt, dass die beobachtete
Proliferationssteigerung nach Applikation von GM-CSF auf
der nachgeschalteten Freisetzung von IL-18 beruht, FGF-
7 hingegen selbst die Proliferation der Epithelzellen fördert,
worin es durch induziertes IL-18 unterstützt wird
(Fritsch et al., in Vorbereitung).
Für die Aufklärung der funktionellen Bedeutung dieser und
weiterer identifizierter Faktoren wurden bislang organotypische
Cokulturen mit primären humanen Keratinozyten aus
Biopsiematerial verwendet. Durch Modifikation und Optimierung
gelang es jedoch, ein adäquates und standardisiertes
Hautmodell mit der Keratinozytenlinie HaCaT zu etablieren.
Durch die zusätzliche Expression von TGF-α
(Transforming growth factor alpha) bilden die HaCaT-Zellen
nun im in vitro-Hautmodell gut strukturierte und nahezu
normal differenzierte Epithelien aus [4]. Die Ergebnisse
zeigten, daß in Frühstadien der Carcinogenese die parakrinen
Regelkreise noch weitgehend funktionieren, wenn
auch einzelne Defekte, z.B. die nahezu fehlende Expression
von TGF-α, den steuernden Einfluß stromaler Zytokine
außer Kraft setzt.
Der derzeitige Stand bei der Herstellung organotypischer
Keratinozyten-Fibroblasten-Kokulturen erlaubt ihre reproduzierbare
Bereitstellung für experimentelle Zwecke und
hat es somit ermöglicht, grundlegende Phänomene der
epidermalen Regeneration in vitro zu untersuchen. Neuerdings
konnte mit Hilfe von biokompatiblen Gerüstmaterialien
und dermalen Fibroblasten Dermisäquivalente in vitro produziert
werden, die sich durch autonome Produktion
extrazellulärer Matrix auszeichnen und eine gut geeignete
mesenchymale Unterlage für Keratinozyten in Kokultur bieten.
Neben verbesserter mechanischer Stabilität liegt ihr
Vorteil auch darin, dass sie im Hinblick auf klinische Anwendung
(Tissue Engineering von Hautersatz) ein immunologisch
völlig humanisiertes System ohne artfremdes
Strukturprotein wie tierisches Kollagen darstellen. In
derartigen Hautäquivalenten werden derzeit die Einflüsse
des Epithels auf die ECM-Synthese untersucht, was auch
im Kontext der Charakterisierung von (Wund- und Tumor-)
Stromabildung in vivo von Bedeutung ist (H.-J. Stark, in
Vorbereitung).
2. Epithel-mesenchymale Wechselwirkungen in
der Produktion der Basalmembran und
Funktion epidermaler Adhäsions-Strukturen
D. Breitkreutz, C. Schmidt, N. Daum, S. Depner,
J. Kadathukalam, N. Mirancea
Kooperationen R. Nischt und T. Krieg, Dermatologie, Universität
Köln; U. Werner und M. Gerl, Aventis Deutschland; T.
Tennenbaum, Bar-Ilan und E. Wertheimer, Tel-Aviv University,
Israel; D. Ron, Technion Institute of Technology, Israel
Als weiteres Beispiel für epithel-mesenchymale Wechselwirkungen
in der Haut konnte auch die postulierte interaktive
Bildung der Basalmembran (BM) durch Keratinozyten
und Fibroblasten in organotypischen Kokulturen schlüssig
demonstriert werden. Die separate Analyse beider
Gewebekompartimente auf mRNA-Ebene hatte bereits die
wechselseitige Induktion und Dynamik der Expression von
BM-Komponenten gezeigt, was wir nun auch auf Proteinebene
bestätigen konnten [5]. In Übereinstimmung mit
den RNA-Daten erfolgte hierbei zellspezifisch lediglich die
Synthese der Laminin-Isoform LN-5 in Keratinozyten und