Biomedizin: Elektrische Impulse lassen Gliedmaßen nachwachsen

Kaulquappen können etwas, wovon Menschen schon immer träumen: Reißt man einer Kaulquappe den Schwanz ab oder ein kleines, sich noch entwickelndes Bein, dann wachsen diese Körperteile wieder nach - und zwar mit Wirbeln, Muskeln, Blutgefäßen und allem was dazugehört. Wissenschaftler haben jetzt den wichtigsten Regulator für ein elektrisches Signal gefunden, das bei der Kaulquappe des Krallenfroschs (Xenopus) verlorene Gliedmaßen wieder wachsen lässt. Das Ergebnis, das diese Woche in Development veröffentlicht wurde (1), hat einige Wissenschaftler dazu veranlasst, über neue Ansätze zur Geweberegeneration beim Menschen nachzudenken.

Dass beim Nachwachsen von Gliedmaßen ein elektrischer Strom erzeugt wird, war bereits seit Jahrzehnten bekannt. Hinzukommt, dass das Anlegen von Strom die Regeneration beschleunigt und Medikamente, die den Stromfluss behindern, sie verlangsamen. Die elektrischen Signale helfen dabei, den neuen Zellen mitzuteilen, was ihre Funktion sein soll, wie schnell sie wachsen und wo genau sie in der Gliedmaße platziert sein werden.

Um den Mechanismus genauer zu untersuchen, haben Michael Levin und seine Kollegen vom Forsyth Center for Regenerative and Developmental Biology in Boston viele pharmazeutische Archive durchforscht. Sie suchten nach Präparaten, die zwar das Nachwachsen des Schwanzes, nicht aber die Wundheilung unterbinden. Dabei fanden sie ein Mittel, das den Transport oder das "Pumpen" von Protonen durch Zellwände verhindert. Normalerweise erzeugt dieser Protonenfluss einen elektrischen Strom.

Levin vermutet, dass dieser Strom ein weitreichendes elektrisches Feld aufbaut, das hilft, Nervenzellen zu koordinieren, wenn sie an die betroffene Stelle gelangen. "Dieses Pumpen von Wasserstoff können wir als Hauptregulator einsetzen, um die Regeneration zu stimulieren, so Levin. "Wir müssen nicht extra sagen: 'Bitte hier einen kleinen Muskel und da drüben auch noch einen'."

Der künstliche Einsatz der Protonenpumpe löste auch bei älteren Kaulquappen eine Geweberegeneration aus, obwohl sie diese Fähigkeit aufgrund ihres Reifestadiums schon verloren hatten. Die Hilfe durch Levin und seine Kollegen führte in viermal so vielen Fällen zum gewünschten Ergebnis wie bei vergleichbaren Kaulquappen ohne künstliche Protonenpumpe.

Teilen und verändern

"Der Gedanke, komplexe Organe aus adulten Zellen wachsen zu lassen, war nicht immer populär", bemerkt David Stocum, der Direktor des Indiana University Center for Regenerative Biology and Medicine in Indianapolis. "Die Idee wurde geradezu niedergeschrien," so der Wissenschaftler, "aber jetzt stellen wir ein neues Interesse fest." Dieses Interesse richtet sich hauptsächlich auf die regenerative Kraft von Stammzellen. Aber nun beginnt man auch, sich für die unmittelbare Regeneration durch adulte Zellen in der Wunde zu interessieren.

Auf den ersten Blick scheint die umfassende Regeneration von Gliedern und Schwanz den "einfacheren" Organismen vorbehalten zu sein. Beispiele sind der Plattwurm Planaria - wenn man ihn in hundert kleine Stücke schneidet, erhält man hundert kleine Würmer - oder der Salamander, dem Beine, Schwanz, Kiefer, Darm und Teile der Augen und des Herzens nachwachsen.

Aber auch bei Säugetieren gibt es beeindruckende Beispiele von Geweberegeneration. Männliche Hirsche können Knochen, Hautteile, Nerven, Blutgefäße und ihr Geweih ersetzen, mit einer Geschwindigkeit von einem Millimeter pro Tag. Die Leber des Menschen wächst ebenfalls nach, und vielen Kindern unter sieben Jahren sind amputierte Fingerkuppen nachgewachsen. Außerdem sind in der Medizingeschichte Fälle bekannt, in denen Patienten eine Niere verloren haben und Jahre später feststellten, dass ihnen eine neue gewachsen war.

Ein einfacher Impuls

Veränderungen im Stromfluss können sich auf die Regeneration von Fingerkuppen ebenso auswirken wie auf das Nachwachsen des Kaulquappenschwanzes. Aber um Menschen in voll funktionsfähige Regeneratoren zu verwandeln, bedarf es mehr als der Steuerung bioelektrischer Signale. Die Ausbildung von Narbengewebe zum Beispiel kann in manchen Fällen die Regeneration aufhalten, wendet David Gardiner ein, Biologe an der University of California in Irvine.

Jedoch sind die komplexen Vernetzungen, die für den Aufbau eines komplizierten Organs oder Appendixes erforderlich sind, bereits in den genetischen Code unserer Zellen eingeschrieben - sonst hätten unsere Organe gar nicht erst entstehen können. "Die Frage lautet: Wie schaltet man den Mechanismus wieder ein?", so Levin. "Wenn wir die Sprache kennen, mit der die Zellen sich gegenseitig mitteilen, was sie zu tun haben, dann sind wir nur noch einen kleinen Schritt von der gezielten Beeinflussung dieser Zellen nach einer Verletzung entfernt."

Die Einfachheit dieses Startsignals für die Regeneration sei vielversprechend, ergänzt Stocum: Vielleicht genügt schon ein genau abgestimmtes elektrisches Signal, um die Geweberegeneration beim Menschen in Gang zu bringen.

(1) Adams D. S., Masi A. & Levin M. Development, doi:10.1242/dev.02812 (2007).

Dieser Artikel wurde erstmals am 28.2.2007 bei news@nature.com veröffentlicht. doi:10.1038/news070226-8. Übersetzung: Rainer Remmel. © 2007, Macmillan Publishers Ltd

Heidi Ledford