Schwerpunkt der Forschungsarbeit
Biologie und Regeneration von Betazellen der Bauchspeicheldrüse
Ziel unserer Forschung ist es, die molekularen und zellulären Ereignisse zu verstehen, die für die Regeneration der Betazellen der Bauchspeicheldrüse erforderlich sind, und dieses Wissen für die Entwicklung von Zellersatztherapien zur Behandlung von Diabetes einzusetzen. Zu diesem Zweck setzen wir auf zwei Aspekte der Betazell-Regeneration: die Verbesserung der Betazell-Proliferation in vivo und die Stimulierung der Differenzierung von neuen Betazellen aus endogenen Vorläuferzellen in der Bauchspeicheldrüse. Zur Untersuchung der Betazell-Entwicklung verwenden wir das Zebrafisch-Modell wegen seiner geringen Körpergröße und optischen Transparenz der Embryonen/Larven sowie wegen der Möglichkeit, genetische und chemisch-genetische Manipulationen durchzuführen.
1. Betazell-Proliferation
a) Wirkstoffforschung für Betazell-Proliferation
Ein vielversprechender Ansatz für die Betazell-Regeneration ist das Screening für Wirkstoffe, die die Anzahl der Betazellen erhöhen können. Zu diesem Zweck haben wir transgene Linien generiert, die in vivo und in Echtzeit die Proliferation von Betazellen unter Verwendung des Fucci-Systems (Fluorescent Ubiquitination-based Cell Cycle Indicator) überwachen. In diesem System leuchten die sich vermehrenden Betazellen grün, während die sich nicht vermehrenden rot leuchten. Mit diesen Tools screenen wir für Wirkstoffe, die die Anzahl der sich vermehrenden Betazellen in den Inselzellen der Bauchspeicheldrüse erhöhen können. Wir werden die positive Wirkung der Wirkstoffkandidaten an Betazellen von Säugetieren validieren.
b) Kontrolle der Inaktivierung und Proliferation von Betazellen
Je mehr Nährstoffe wir zu uns nehmen, desto mehr Betazellen brauchen wir, um den von diesen Nährstoffen produzierten zunehmenden Zuckerspiegel zu bewältigen. Daher besteht eine enge Korrelation zwischen der Nahrungsaufnahme und der Anzahl von Betazellen bei nicht-diabetischen adipösen Personen und experimentellen Modellen von Überernährung. Ebenso haben wir gefunden, dass im Zebrafisch bei Betazellen eine rasche Änderung von der Quieszenz zur Proliferation als Reaktion auf verstärkte Nahrungsaufnahme geschieht. Auf der Basis dieser Erkenntnis haben wir die Expressionsprofile der Gene von inaktivierten und sich vermehrenden Betazellen erstellt. Wir werden diese Daten dazu nutzen, neuartige Gene zu charakterisieren, die den Quieszenz-Zustand und den Zustand der Proliferation von Betazellen regulieren.
2. Betazell- Differenzierung
a) Notch-Signalweg sorgt für Feinabstimmung der Betazell-Vorläuferzellen in der Bauchspeicheldrüse
Genetische Studien implizierten den Notch-Signalweg bei der Aufrechterhaltung der Vorläuferzellen der Betazellen in der Bauchspeicheldrüse. Allerdings blieb unklar, wie der Notch-Signalweg auf Einzelzellebene die Inaktivierung, Proliferation oder differenzierendes Verhalten dieser Vorläuferzellen reguliert. Wir fanden, dass diese Betazell-Vorläuferzellen verschiedene Ebenen des Notch-Signalwegs wahrnehmen, die ihrerseits verschiedene zelluläre Auswirkungen regulieren. Hohe Konzentrationen von Notch-Signalen induzieren Inaktivierung; niedrigere fördern Vorläufer-Verstärkung, während endokrine Differenzierung starkes und anhaltendes Herunterregulieren des Notch-Signalwegs erfordert. Ein wichtiges Ziel ist es daher, die Mechanismen zu identifizieren, durch die der Notch-Signalweg spezifische und unterschiedliche Ergebnisse auf verschiedenen Aktivitätsniveaus erzielt, um Methoden zu entwickeln, mittels derer die Erneuerungs- und Differenzierungsfähigkeiten von Vorläuferzellen der Betazellen in der Bauchspeicheldrüse zu verbessern sind.
b) Neubildung von Betazellen aus einer definierten Vorläuferpopulation
Wir entdeckten, dass dauerhafter Verlust der Betazellen im Zebrafisch Aspekte des menschlichen Betazell-Mangels wiederholt, einschließlich des erhöhten Blutzuckerspiegels. Besonders wichtig dabei war unser Nachweis, dass ein hoher Bedarf an Betazellen innerhalb des Pankreasgangs eine Nische für Vorläuferzellen zur schnellen Betazell-Regeneration aktiviert. Wir werden dieses Modell verwenden, um besser zu verstehen, wie Vorläuferzellen den Verlust von Betazellen wahrnehmen und darauf reagieren, wie das bei Diabetes der Fall ist. Unser Ziel ist, Mittel zu identifizieren, um Betazell-Neubildung aus diesen Vorläuferzellen zu verbessern, die auch in Säugetieren stattfindet: eine Zellersatztherapie für Diabetes.