Phenotypes and Cellular Mechanics of Primary Human Aorta- and Pluripotent Stem Cell-derived Vascular Smooth Muscle Cells

In den Wänden unserer Blutgefäße liegt eine spezialisierte Schicht aus Muskelzellen, die als der Hauptregulator des Blutflusses im Körper fungiert. Diese Zellen, bekannt als vaskuläre glatte Muskelzellen, sind die Torwächter des Kreislaufs. Wenn sie gesund und ausgereift sind, bleiben sie ruhig und fest kontrahiert und halten das Gefäß mit einem stetigen, kraftvollen Griff offen, um den Blutdruck aufrechtzuerhalten. Doch wenn der Körper eine Schädigung reparieren muss oder eine Krankheit zuschlägt, können diese Zellen ihr Wesen ändern. Sie können ihren Griff lockern, größer werden und sich schnell vermehren, um einen Riss zu flicken oder neues Gewebe aufzubauen. Diese Fähigkeit, zwischen einem stetigen, kontraktilen Zustand und einem geschäftigen, wachsenden Zustand zu wechseln, ist für die Gesundheit lebensnotwendig, aber sie ist auch der Motor hinter vielen gefährlichen Zuständen, wie etwa der Schwächung und Ausbuchtung von Arterien, die als Aneurysmen bekannt sind. Um zu verstehen, wie diese Zellen funktionieren und warum sie manchmal versagen, müssen Wissenschaftler sie im Labor untersuchen. Seit Jahrzehnten verlassen sich Forscher darauf, diese Zellen direkt von menschlichen Spendern zu entnehmen, aber dieser Ansatz hat einen erheblichen Makel: Jeder Spender ist anders, und die Zellen verändern oft ihr Verhalten, sobald sie aus dem Körper entfernt werden, was es schwierig macht zu unterscheiden, ob ein Ergebnis auf eine spezifische Krankheit oder nur auf die natürliche Variation zwischen Menschen zurückzuführen ist.

Um dieses Problem zu lösen, wandte sich ein Forscherteam an eine konsistentere Quelle: menschliche pluripotente Stammzellen. Dies sind Meisterzellen, die zu jedem Gewebetyp des Körpers werden können. Indem sie diese Stammzellen einem spezifischen Entwicklungspfad zuführten, schufen die Wissenschaftler in einer Kulturschale eine frische Versorgung an vaskulären glatten Muskelzellen. Das Ziel ihrer neuen Studie war es zu sehen, ob diese im Labor gezüchteten Zellen tatsächlich so reagieren wie das Original, das man in menschlichen Arterien findet. Sie verglichen ihre aus Stammzellen gewonnenen Zellen mit Zellen, die direkt aus menschlichen Aorten gewonnen wurden – den großen Gefäßen, die das Blut vom Herzen wegführen. Die Forscher wollten wissen, ob die im Labor hergestellten Zellen die zwei Hauptzustände der echten Zellen nachahmen konnten: den geschäftigen, wachsenden Zustand und den ruhigen, kontraktilen Zustand. Sie wollten auch die physische Kraft dieser Zellen messen und prüfen, wie viel Kraft sie auf ihre Umgebung ausüben können – ein entscheidender Faktor dafür, wie Blutgefäße ihre Form halten.

Das Team begann damit, ihre aus Stammzellen gewonnenen Zellen zu züchten und sie sorgfältig in Richtung des glatten Muskeltyps zu führen. Sie fanden heraus, dass diese Zellen tatsächlich zwischen den beiden Zuständen wechseln konnten. Wenn sie allein gelassen wurden, agierten sie wie die wachsende, synthetische Version der Zelle, vermehrten sich und füllten den Raum aus. Wenn die Forscher einen spezifischen chemischen Inhibitor zur Kultur hinzufügten, hörten die Zellen auf sich zu teilen und transformierten sich in den reifen, kontraktilen Typ. Diese behandelten Zellen wuchsen größer, entwickelten stärkere interne Fasern und produzierten höhere Mengen der Proteine, die für die Muskelkontraktion verantwortlich sind. Um sicherzustellen, dass diese im Labor gezüchteten Zellen nicht nur so aussah, als ob sie die Rolle spielten, sondern auch so handelten, als ob sie die Rolle spielten, maß das Team ihre physische Stärke. Sie platzierten einzelne Zellen auf winzigen, flexiblen Säulen und beobachteten, wie stark sich die Säulen bogen, während die Zellen an ihnen zogen. Sie bauten auch kleine, dreidimensionale Gewebe bestehend aus Hunderten von Zellen und maßen die kollektive Kraft, die diese winzigen Bündel beim Zusammenziehen erzeugten.

Die Ergebnisse zeigten eine verblüffende Ähnlichkeit zwischen den im Labor gezüchteten Zellen und den Zellen, die von menschlichen Spendern entnommen wurden. Beide Zelltypen erzeugten Kräfte in einem vergleichbaren Bereich und zogen mit einer Stärke, die in Milliardstel Newton pro Säule gemessen wurde. Dies bestätigte, dass die aus Stammzellen gewonnenen Zellen mechanisch in der Lage waren, dieselbe Arbeit zu leisten wie die natürlichen Zellen. Die Studie hob jedoch auch einen großen Unterschied in der Zuverlässigkeit hervor. Die Zellen, die direkt aus menschlichen Aorten entnommen wurden, variierten von Charge zu Charge erheblich. Einige Chargen waren voller der gewünschten Muskelzellen, während andere hauptsächlich andere Zelltypen enthielten, und ihre Stärke sowie ihr Verhalten änderten sich unvorhersehbar, abhängig vom Alter des Spenders und dem spezifischen Teil der Arterie. Im Gegensatz dazu waren die aus Stammzellen gewonnenen Zellen bemerkenswert konsistent. Jede Charge verhielt sich gleich, reagierte auf denselben chemischen Schalter auf dieselbe Weise und erzeugte die gleiche Menge an Kraft.

Die Forscher testeten auch, ob sie die natürlichen Spenderzellen mithilfe derselben chemischen Behandlung dazu bringen könnten, sich mehr wie der reife, kontraktile Typ zu verhalten. Sie fanden heraus, dass dies funktionierte, aber die Reaktion über verschiedene Chargen von Spenderzellen hinweg inkonsistent war. Einige Chargen reagierten stark und wurden viel stärker und kontraktiler, während andere kaum eine Veränderung zeigten. Diese Inkonsistenz machte es schwierig, klare Schlussfolgerungen zu ziehen, wenn man allein Spenderzellen verwendete. Die Studie kam zu dem Schluss, dass Zellen von menschlichen Spendern zwar nützlich sind, aber zu viel „Rauschen“ mit sich bringen, um das perfekte Werkzeug für die Untersuchung der Mechanik von Blutgefäßen zu sein. Die aus Stammzellen gewonnenen Zellen hingegen bieten ein sauberes, reproduzierbares Modell. Man kann sie mit hoher Präzision zwischen Wachstums- und Kontraktionszustand an- und ausschalten, und sie erzeugen Kräfte, die den echten menschlichen Zellen entsprechen. Dies bietet Wissenschaftlern ein zuverlässiges, standardisiertes Werkzeug, um zu untersuchen, wie Blutgefäße funktionieren, wie sie bei Krankheiten versagen und wie neue Medikamente helfen könnten, sie zu reparieren, ohne die Verwirrung durch natürliche menschliche Variation.