Um in Gewebe aus dicht gepackten Zellen einzudringen, passen Immunzellen den richtigen Moment ab, zeigt eine Studie: Wenn sich eine Zelle teilt, lockern sich ihre Verbindungen zu den benachbarten Zellen. Genau dann schiebt sich die erste Immunzelle in die entstehende Lücke und bahnt sich selbst und den nachfolgenden Immunzellen den Weg. Wird die Zellteilung dagegen medikamentös unterbunden, können die Immunzellen nicht in das entsprechende Gewebe gelangen.
Als Teil des angeborenen Immunsystems patrouillieren die Makrophagen, eine Untergruppe der Weißen Blutkörperchen, durch den Körper. Als Fresszellen beseitigen sie Krankheitserreger, indem sie diese in sich aufnehmen und zerstören. Auf ihrem Weg zum Einsatzort durchdringen sie winzige Poren und bahnen sich Pfade durch die extrazelluläre Matrix, die die Zellen umgibt. Bisher war allerdings noch unbekannt, wie genau sie es schaffen, in Gewebe aus dicht an dicht liegenden Zellen einzudringen.
Makrophagen auf Wanderschaft
Dieses Rätsel hat nun ein Team um Maria Akhmanova vom Institute of Science and Technology Austria (ISTA) gelöst. Dazu verfolgten die Forscher mit Hilfe eines Hochleistungsmikroskops, wie sich die Makrophagen in Larven der Fruchtfliege Drosophila während der Embryonalentwicklung ausbreiten. Bei Drosophila zählen Makrophagen zu den häufigsten Immunzellen. Da die Fruchtfliegenlarven fast durchsichtig sind, lässt sich die Wanderung der Fresszellen an ihnen besonders gut beobachten.
Während der frühen Embryonalentwicklung begeben sich die Immunzellen, geleitet von chemischen Signalen, auf den Weg zu ihren Zielgeweben, in diesem Fall das sogenannte Keimband der Larven. Hier stoßen sie auf eine Art Mauer aus dicht gepackten Zellen. „Der erste Makrophage benötigt etwa 20 Minuten, um die Gewebebarriere zu überwinden“, berichten die Forscher. Dabei schiebt er sich mit dem Zellkern voran zwischen die Gewebezellen. Die weiteren Makrophagen folgen dem ersten, der sogenannten Pionierzelle, in einer Kette auf dem gleichen Weg.
Eindringen im richtigen Moment
Um den genauen Mechanismus zu verstehen, analysierten Akhmanova und ihre Kollegen zahlreiche Zeitraffervideos von der Makrophagen-Invasion. „Dabei stellten wir fest, dass der Eintritt der Makrophagen immer zu einem Zeitpunkt stattfindet, wenn sich die Gewebezelle vor dem Pioniermakrophagen teilt“, berichten sie. „Würde das Eindringen zu einem zufälligen Zeitpunkt stattfinden, fiele es in mindestens der Hälfte der Fälle in eine Phase ohne Zellteilung. Das war allerdings nie der Fall.“
Diese Beobachtung überprüften die Wissenschaftler, indem sie die Zellteilung mit Hilfe von Medikamenten gezielt ausschalteten. Und tatsächlich: Ohne sich teilende Zellen als Eintrittspforte konnten die Makrophagen nicht ins Gewebe gelangen. Erhöhte das Team dagegen die Zellteilungsrate, konnten die Makrophagen schneller in das Gewebe eindringen. Doch was genau bei der Zellteilung ermöglicht den Immunzellen die Einwanderung? Ist es die Tatsache, dass die Zelle kurz vor der Teilung rund wird und so ein etwas größerer Zwischenraum zu den benachbarten Zellen entsteht? Oder die Tatsache, dass sich während der Zellteilung bestimmte Moleküle lösen, die die Zelle an ihrer Umgebung verankern?
Gelockerte Verbindungen entscheidend
Um das herauszufinden, sorgten die Forscher zunächst dafür, dass die entsprechenden Gewebezellen zwar rund werden konnten, jedoch nicht ihre Verbindungen zu ihrer Umgebung lockerten. Das Ergebnis: Obwohl durch die Rundung der Zelle neue Zwischenräume entstanden, waren diese zu klein, als dass Fresszellen hätten einwandern können. „Die Rundung allein reicht also nicht aus, um die Einwanderung der Makrophagen zu ermöglichen“, folgern die Forscher. Im nächsten Schritt manipulierten sie die Verbindungsmoleküle zwischen den Gewebezellen so, dass sie die Zellen weniger stark zusammenhielten, auch außerhalb der Phase der Zellteilung. Unter diesen Bedingungen konnten die Makrophagen problemlos ins Gewebe einwandern. Die bei der Teilung auftretende Rundung war dafür nicht notwendig.
„Obwohl wir nicht ausschließen können, dass auch andere Effekte einen Beitrag leisten, zeigt dieses Ergebnis, dass die Auflösung der Verbindungen zwischen einer Zelle und ihrer Umgebung der wichtigste Mechanismus ist, durch den die Zellteilung die Tür für die Einwanderung der Makrophagen öffnet“, schreiben Akhmanova und ihr Team. Aus ihrer Sicht könnten die neuen Erkenntnisse auch dazu beitragen, Krebs und Autoimmunkrankheiten in Zukunft besser zu verstehen.
Quelle: Maria Akhmanova (Institute of Science and Technology Austria, ISTA) et al., Science, doi: 10.1126/science.abj0425
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