Quallenstichmechanismus enthüllt; Könnte bei der Entwicklung zukünftiger Verabreichungsgeräte helfen

Jul 12, 2023

Bildnachweis: Foto von Marat Gilyadzinov auf Unsplash

Strandbesucher im Sommer kennen den schmerzhaften Stich einer Qualle nur allzu gut. Doch wie funktionieren die Nesselzellen von Quallen, Korallen und Seeanemonen eigentlich? Neue Forschungen des Stowers Institute for Medical Research haben ein präzises Funktionsmodell für das stechende Organell – oder die Nematozyste – der Sternchen-Seeanemone Nematostella vectensis enthüllt. Die von Ahmet Karabulut, einem Doktoranden im Labor von Matt Gibson, PhD, geleitete Studie umfasste den Einsatz modernster mikroskopischer Bildgebungstechniken sowie die Entwicklung eines biophysikalischen Modells, um ein umfassendes Verständnis eines verbleibenden Mechanismus zu ermöglichen seit über einem Jahrhundert schwer fassbar.

Die Forscher vermuten, dass die Erkenntnisse aus der Arbeit zu neuen klinischen Entwicklungen führen könnten, einschließlich der Entwicklung mikroskopischer therapeutischer Verabreichungsgeräte. „Das Verständnis dieses komplexen Stechmechanismus kann potenzielle zukünftige Anwendungen für den Menschen haben“, sagte Gibson. „Dies könnte zur Entwicklung neuer therapeutischer oder gezielter Verabreichungsmethoden von Medikamenten sowie zum Design mikroskopischer Geräte führen.“ Gibson und Kollegen berichteten über ihre Studie in Nature Communications in einem Artikel mit dem Titel „Die Architektur und der Betriebsmechanismus eines Nesselorganells“.

Die stechenden Organellen von Quallen, Seeanemonen und verwandten Nesseltieren seien „bemerkenswerte Zellwaffen“, die sowohl zur Jagd als auch zur Verteidigung eingesetzt würden, schrieben die Autoren. Nematozysten bestehen aus einer unter Druck stehenden Kapsel, die einen harpunenartigen Faden enthält, der einen Cocktail aus Neurotoxinen abgibt. „Wenn die Kapsel ausgelöst wird, entlädt sie sich, schleudert ihren Faden als Harpune aus, dringt in Ziele ein und verlängert sich schnell, indem sie sich in einem Prozess, der Eversion genannt wird, von innen nach außen dreht“, erklärten die Forscher. „Auf zellulärer Ebene gehört die Nematozysten-Entladung zu den schnellsten mechanischen Prozessen in der Natur, die bei Hydra-Nematozysten bekanntermaßen innerhalb von drei Millisekunden abgeschlossen sind.“ Tatsächlich erfolgt die Anfangsphase der druckgetriebenen Kapselexplosion und der anschließende Fadenauswurf in nur 700 Nanosekunden.

Frühere Studien deuten darauf hin, dass die hohe Geschwindigkeit der Nematozystenentladung durch die Ansammlung von osmotischem Druck in der Kapsel und die Freisetzung von Energie durch die elastisch gedehnte Kapselwand während der Entladung durch einen starken federähnlichen Mechanismus angetrieben wird. „Beim Auslösen, aber vor der Entladung, verdoppelt sich das Volumen der Kapsel aufgrund des schnellen Wassereinstroms ungefähr“, sagten die Autoren. „Dadurch schwillt die Matrix osmotisch an und dehnt die Kapselwand. Diese Energie wird anschließend genutzt, um den Faden mit hoher Geschwindigkeit auszustoßen, der auf das Zielgewebe trifft und es durchdringt.“

Obwohl sich die Eigenschaften der Nematozysten bei verschiedenen Nesseltierarten in Bezug auf Kapselgröße und Fadenmorphologie erheblich unterscheiden, funktionieren sie alle auf ähnliche Weise und weisen einen umstülpbaren Tubulus auf, der durch explosiven Auswurf angetrieben wird.

Das Modell der Brennzellfunktion des Stowers-Teams liefert entscheidende neue Einblicke in die detaillierte Natur der außerordentlich komplexen Nematozystenarchitektur und des Zündmechanismus. Karabulut und Gibson nutzten in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Stowers Institute Technology Centers fortschrittliche Bildgebung, dreidimensionale Elektronenmikroskopie und Gen-Knockdown-Ansätze, um herauszufinden, dass die kinetische Energie, die zum Durchstechen und Vergiften eines Ziels erforderlich ist, sowohl osmotischen Druck als auch gespeicherte elastische Energie umfasst innerhalb mehrerer Nematozysten-Substrukturen.

„Wir nutzten Fluoreszenzmikroskopie, fortschrittliche Bildgebungstechniken und 3D-Elektronenmikroskopie in Kombination mit genetischen Störungen, um die Struktur und den Funktionsmechanismus von Nematozysten zu verstehen“, sagte Karabulut.

Mithilfe modernster Methoden charakterisierten die Forscher die explosive Entladung und biomechanische Umwandlung von N. vectensis-Nematozysten während des Abfeuerns in drei verschiedene Phasen. Die erste Phase ist die anfängliche, projektilartige Entladung und gezielte Durchdringung des dicht gewundenen Fadens aus der Nematozystenkapsel. Dieser Prozess wird durch eine Änderung des osmotischen Drucks durch den plötzlichen Wasserzufluss und die elastische Dehnung der Kapsel vorangetrieben.

Die zweite Phase markiert die Entladung und Dehnung der Schaftunterstruktur des Fadens, die durch die Freisetzung elastischer Energie durch den Umstülpungsprozess – den Mechanismus, bei dem sich der Schaft von innen nach außen dreht – weiter vorangetrieben wird und eine dreifach helikale Struktur bildet, die ein fragiles inneres Röhrchen umgibt, mit dem verziert ist Widerhaken, die einen Giftcocktail enthalten. In der dritten Phase beginnt der Tubulus dann seinen eigenen Eversionsprozess, um sich in das Weichgewebe des Ziels hinein auszudehnen und dabei Neurotoxine freizusetzen.

Dieser gesamte Stechvorgang ist innerhalb weniger Tausendstelsekunden abgeschlossen. „Die früheste Phase des Brennens der Nematozyste ist extrem schnell und schwer im Detail zu erfassen“, sagte Karabulut. Wie es in der biologischen Grundlagenforschung manchmal vorkommt, war die ursprüngliche Entdeckung ein Zufall aus Neugier. Karabulut integrierte einen fluoreszierenden Farbstoff in eine Seeanemone, um zu sehen, wie diese aussah, wenn die nematozystenreichen Tentakel ausgelöst wurden. Nachdem er eine Kombination von Lösungen angewendet hatte, um sowohl den Ausstoß von Nematozysten zu aktivieren als auch gleichzeitig ihre empfindlichen Unterstrukturen zeitlich und räumlich zu bewahren, stellte er fest, dass er zufällig mehrere Nematozysten in unterschiedlichen Brennstadien gefangen hatte.

„Unter dem Mikroskop sah ich einen atemberaubenden Schnappschuss der sich entladenden Fäden an einem Tentakel. Es war wie ein Feuerwerk. Mir wurde klar, dass Nematozysten ihre Fäden teilweise entladen, während das Reagenz, das ich gleichzeitig und sofort verwendete, die Proben fixierte“, sagte Karabulut. „Ich konnte Bilder aufnehmen, die die geometrischen Transformationen des Fadens während des Brennens in einem wunderschön orchestrierten Prozess zeigten. Nach weiterer Untersuchung konnten wir die geometrischen Transformationen des Nematozystenfadens während seines Betriebs vollständig nachvollziehen.“

„… diese Studie demonstriert die Einsatzfähigkeit der Nematozyste als komplexe und selbstorganisierende biologische Mikromaschine“, schlussfolgerten die Autoren. „Wir schlagen vor, dass diese alten und hochentwickelten Organellen ein ideales Modell für biologisch inspirierte Mikrogeräte darstellen, die in verschiedenen Anwendungen von der Medizintechnik bis zur Materialwissenschaft eingesetzt werden könnten.“

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