Embryos werden von der Mutter mit Blut versorgt, müssen aber auch ihr eigenes bilden. Diese frühzeitigen Kräfte des Flusses bringen die Ausdifferenzierung von Stammzellen in Gang.
Bei Embryos fangen die Herzen an zu pochen, wenn sie noch überhaupt keine fertigen Herzen sind, sondern schlauchartige Vorformen, bei Menschen ist das in der dritten, vierten Woche, bei Zebrafischen am vierten Tag. Forscher und Ärzte wundern sich schon lange darüber – Embryos hängen ja am Blutkreislauf der Mutter –, zwei Gruppen haben nun eine Lösung des Rätsels gefunden: Der mechanische Stress sorgt dafür, dass Embryos ihr eigenes Blutsystem aufbauen können.
Gefäßwand produziert auf Druck
Dazu braucht es zunächst die Ausdifferenzierung von embryonalen Stammzellen zu hämatopoetischen Stammzellen, das sind die, aus denen dann wieder alle Typen von Blutzellen werden. Im Embryo spielt sich das zunächst in der Gefäßwand der Aorta ab, von dort wandern die Blutstammzellen dann in die Leber. Aber es spielt sich nur dann in der Gefäßwand ab, wenn sie unter Druck gerät, durch pulsierendes Blut. Bei Zebrafischen – sie sind transparent und deshalb beliebte Labortiere – kann man zusehen, eine Gruppe um Leonard Zon (Harvard Medical School) hat es getan: Stellt man den Herzschlag ab, bildet sich kaum Blut. Denn dann bildet sich in der Gefäßwand kaum Stickstoffmonoxid (NO), das chemische Bindeglied zwischen physikalischem Druck und biologischer Genaktivität (Cell, 137, S.736).
Dass es bei Mäusen nicht anders ist, hat eine Gruppe um George Daley (Children's Hospital Boston) gezeigt (Nature, 13.5.). Damit rückt in Erinnerung, dass die Gene nicht alles sind und dass die Physik ihre Wörtchen mitredet bei der Entwicklung. Das hat man früher schon – an Mäusen – beim Aufbau des gesamten Körpers bemerkt: Das Herz bildet sich deshalb links (und die Leber rechts), weil in der Körpermitte der Embryos auf der Haut haarartige Zellausstülpungen (Cilien) sitzen. Die lenken die Strömungen der Umgebungsflüssigkeit so, dass links die Gene für das Herz und rechts die für die Leber aktiviert werden.
Dann muss das Herz nur noch ein Herz werden. Auch dafür sorgt die Hämodynamik: Blockiert man – wieder an Zebrafischen – den Blutfluss, reift das Herz nur ungenügend, ihm fehlen die Klappen und die dritte Kammer (Nature, 418, S.96). Allerdings ist dieser Fluss nicht nur segensreich: Wo Blut verwirbelt wird, etwa in den Krümmungen und Verzweigungen der Herzkranzgefäße, können die Belastungen der Gefäßwände zu Atherosklerose führen.
PHYSIK REGULIERT GENE
■Gene, die Informationsträger des Lebens, haben in den letzten Jahrzehnten die Biologie so dominiert, dass sie fast synonym wurden mit „Leben“. Aber in den 90er-Jahren entdeckte man, dass Gene nicht die absoluten Herren im Haus des Lebens sind, sondern ihrerseits durch eine Vielzahl von epigenetischen Mechanismen reguliert werden. Manche, wie etwa die Hämodynamik, steuern Genaktivitäten mit Physik.
("Die Presse", Print-Ausgabe, 15.05.2009)