Blaues Licht beleuchtet ein neues Verständnis eines wichtigen Signalwegs in der Embryonalentwicklung, der Gewebeerhaltung und der Krebsentstehung.

Forscher der University of Illinois Urbana-Champaign entwickelten einen Ansatz, der blaues Licht verwendet, um den Wnt-Signalweg (ausgesprochen „wins“) in Froschembryonen zu aktivieren. Der Signalweg spielt eine Vielzahl von Rollen in der tierischen und menschlichen Entwicklung, und seine Fähigkeit, ihn mit Licht zu regulieren, ermöglicht es den Forschern, seine vielfältigen Funktionen besser zu untersuchen, sagt das Team.

Unter der Leitung von Kai Zhang, einem Professor für Biochemie, und Jing Yang, einem Professor für vergleichende Biowissenschaften, veröffentlichte das Forschungsteam seine Arbeit im Journal of Molecular Biology, wo es als hervorgehobene Mitteilung ausgewählt wurde und das Top 1% der Artikel repräsentiert.

Der Wnt-Weg wird durch einen Rezeptor auf der Zelloberfläche aktiviert, der eine Kaskadenreaktion in der Zelle auslöst. Zu viel oder zu wenig Signal kann katastrophal sein, sagte Zhang, was es sehr schwierig macht, den Signalweg mit Standardtechniken zur Stimulierung von Zelloberflächenrezeptoren zu untersuchen.

Während der Embryonalentwicklung reguliert Wnt die Entwicklung vieler Organe wie Kopf, Rückenmark und Augen. Es hält auch Stammzellen in vielen Geweben bei Erwachsenen aufrecht: Während ein unzureichender Wnt-Signalweg zu einem Versagen der Gewebereparatur führt, kann ein erhöhter Wnt-Signalweg zu Krebs führen.“

Jing Yang, Professor für vergleichende Biowissenschaften

Es sei sehr schwierig, das notwendige Gleichgewicht mit Standardansätzen zur Regulierung solcher Pfade wie der chemischen Stimulation zu erreichen, sagte Zhang. Um dies zu beheben, entwickelten die Forscher das Rezeptorprotein, das auf blaues Licht reagiert. Dieser Ansatz ermöglicht es ihnen, den Wnt-Pegel durch Modulation der Intensität und Dauer des Lichts fein abzustimmen.

„Licht als Behandlungsstrategie wurde in der photodynamischen Therapie mit den Vorteilen der Biokompatibilität und ohne Restwirkung im exponierten Bereich verwendet. Die meisten photodynamischen Therapien verwenden jedoch normalerweise Licht, um hochenergetische Chemikalien – zB reaktive Sauerstoffspezies – zu erzeugen, ohne zwischen zu unterscheiden normales und krankes Gewebe, was eine gezielte Behandlung unmöglich macht“, sagte Zhang. „In unserer Arbeit haben wir gezeigt, dass blaues Licht einen Signalweg in verschiedenen Körperkompartimenten von Froschembryonen aktivieren kann. Wir stellen uns vor, dass eine räumlich definierte Stimulation von Zellfunktionen die Herausforderungen der Off-Target-Toxizität mildern könnte.“

Die Forscher demonstrierten ihre Technik und überprüften ihre Abstimmbarkeit und Empfindlichkeit, indem sie die Entwicklung von Rückenmark und Kopf bei Froschembryonen stimulierten. Sie stellen die Hypothese auf, dass ihre Technik auch auf andere membrangebundene Rezeptoren angewendet werden könnte, die sich als schwierig zu zielen erwiesen haben, sowie auf andere Tiere, die den Wnt-Weg teilen, was ein besseres Verständnis dafür liefert, wie diese Wege die Entwicklung regulieren – und was passiert, wenn sie passieren … sind – oder unterstimuliert.

„Während wir unsere lichtempfindlichen Systeme weiter ausbauen, um andere wesentliche Signalwege abzudecken, die der embryonalen Entwicklung zugrunde liegen, werden wir der entwicklungsbiologischen Gemeinschaft wertvolle Werkzeuge zur Verfügung stellen, die ihnen helfen können, die Signalergebnisse zu bestimmen, die vielen Entwicklungsprozessen zugrunde liegen“, sagte Yang.

Die Forscher hoffen auch, dass ihre lichtbasierte Technik zur Untersuchung von Wnt die Gewebereparatur und die Krebsforschung in menschlichem Gewebe beleuchten kann.

„Da Krebs oft mit überaktiven Signalen in Verbindung gebracht wird, stellen wir uns vor, dass ein lichtempfindlicher Wnt-Aktivator verwendet werden könnte, um das Fortschreiten von Krebs in lebenden Zellen zu untersuchen“, sagte Zhang. „In Kombination mit Live-Cell-Imaging könnten wir die Signalschwelle, die eine normale Zelle in eine Krebszelle verwandeln könnte, quantitativ bestimmen und so Primärdaten für die zielgerichtete therapeutische Entwicklung in der zukünftigen Präzisionsmedizin liefern.“