Fibroblasten und ihre Bedeutung in der Forschung

Das fluidlab R-300 ermöglicht die Analyse diverser Zellarten, darunter auch Fibroblasten. Diese Zellen kommen im ganzen Körper vor und spielen bei der Wundheilung, beim Tumorwachstum oder auch bei der Hautverjüngung eine große Rolle. Ihre Erforschung ermöglicht neue Therapiemöglichkeiten gegen Krebs, aber auch die Entwicklung neuer Anti-Aging-Verfahren. Der Anwendungsbereich ist groß gefächert und daher die Erforschung der Zellen von besonderem Interesse.

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Was sind Fibroblasten?

Bei Fibroblasten handelt es sich um teilungsaktive Zellen des Bindegewebes. Die Zellen stammen aus dem Mesoderm und sind nicht voll differenziert. Daher können sie sich zu verschiedenen Bindegewebszellen differenzieren, wie zum Beispiel zu der unbeweglichen Form, den Fibrozyten.Außerdem bilden sie alle wichtigen Bestandteile des Bindegewebes – unter anderem Kollagen – und bestimmen so die Eigenschaften des Gewebes. Sowohl die Regeneration als auch der Umbau des Bindegewebes gehen von ihnen aus.1

Myofibroblasten sind eine Sonderform von Fibroblasten

Myofibroblasten wurden bei experimentellen Untersuchungen zu Entzündungen und zur Wundheilung entdeckt. Sie besitzen eine feinstrukturelle Ähnlichkeit zu glatten Muskelzellen, da sie Mikrofibrillen, Mikrosehnen und Zell-Zell-Kanäle enthalten. 

Bei dieser Sonderform handelt es sich um modifizierte Fibroblasten, welche in der Lage sind, sich zu kontrahieren. Charakteristisch für die Myofibroblasten ist, dass sie Alpha-glattmuskuläres Aktin exprimieren. 

Zytokine dienen als Mediatoren, welche die Aktivierung und Modifizierung von Fibroblasten zu Myofibroblasten steuern. Die Zellen wurden im menschlichen Granulationsgewebe, in der Palmarfibromatose und im reaktiven Stroma bei invasiven Karzinomen nachgewiesen. 

Unter normalen Bedingungen befinden sie sich zudem unter anderem

  • in der Haut,
  • am Haarfollikel,
  • im periodontalen Ligament und
  • in Lungensepten.

 

Myofibroblasten sind für den Wundverschluss verantwortlich. Bei Entzündungen – bzw. bei der Wundheilung – kommt es zur Proliferation von Fibroblasten und anschließend zur Modulation dieser zu Myofibroblasten. Auch Kollagen Typ 3 wird moduliert.

Der nächste Schritt bei der Wundheilung ist der Übergang zu Fibrozyten und Kollagen Typ 1. Schließlich kommt es zur Kontraktion und zum Wundverschluss.2 Zwei zentrale Rollen werden dabei von den Myofibroblasten übernommen. 

Zum einen geht von ihnen die Produktion einer sehr großen Mengen an Kollagen aus.3 Diese Eigenschaft hilft bei dem Verschluss von Wunden, denn das Kollagen bildet eine netzartige Schicht über der verletzten Stelle, welche als vorläufiger Wundverschluss dient. Zum anderen wird durch die Kontraktion der Myofibroblasten, welche über Fibronektinfäden mit den Wundrändern und miteinander verbunden sind, der Wundverschluss zusätzlich unterstützt.4

Eine Unterproduktion der Zellen hemmt die Wundheilung, wobei eine Überproduktion dieser Form der Fibroblasten, charakteristisch für tumorförmige Prozesse ist.5 In anderen Gefäßen, wie in Hodenkanälchen und Kapillaren, aber auch in den Schleimhäuten, sind Myofibroblasten für die Aufrechterhaltung der Spannung und des Volumens zuständig.

 

Der Aufbau von Fibroblasten

Fibroblasten haben eine längliche Form. An ihren Enden besitzen sie eine Vielzahl an Fortsätzen, über die sie Kontakt untereinander aufnehmen können.Der Zellkern von Fibroblasten ist rund bis oval und der Nucleolus ist stark ausgeprägt. Sie haben viele Zellorganellen. Diese sind für die Bildung von Matrixbestandteilen zuständig. Ihr Zytoplasma ist basophil und das Chromatin, auch Euchromatin genannt, ist sehr fein.6

 

Wo kommen Fibroblasten vor?

In erster Linie sind Fibroblasten spezifische ortsständige Zellen des Bindegewebes. Das Bindegewebe kommt im ganzen Körper vor und gibt den Organen Halt, Festigkeit und Elastizität. In den Zwischenräumen der Organe sind die Fibroblasten zu finden.

Auch in der Lunge kommen Fibroblasten vor. Dort befinden sie sich in einer hochkomplexen, multizellulären Umgebung, welche im Normalfall eng an das Epithel oder Endothel angrenzt.7

Fibroblasten können aber auch aus differenzierten Bindegewebszellen, wie Knochen oder Knorpel herausgehen. Dies geschieht auf Außenreize, zum Beispiel durch Verletzungen.8

Können Fibroblasten auch außerhalb des Organismus gezüchtet werden?

Nachdem die Fibroblasten einem Zellverband oder Organismus entnommen wurden, können sie in vitro gezüchtet werden. Sie wachsen solitär und nicht im Gewebe. Außerdem sind sie nicht vollständig differenziert, weshalb sie leicht in Kultur zu halten sind. Ihre Vermehrung erfolgt dabei sehr schnell.

Sie können als primäre Zelllinie gezüchtet werden. In diesem Fall ist ihre Lebensdauer auf ca. 50 Teilungszyklen begrenzt. Allerdings besteht auch die Möglichkeit, sie durch genetische Eingriffe in permanente Zelllinien umzuwandeln.9

Diese Möglichkeit, Fibroblasten für Laboruntersuchungen im Kulturgefäß zu züchten, macht sie attraktiv für Experimente.

 

Die Bedeutung von Fibroblasten in der Forschung

Fibroblasten spielen besonders in der Wundheilung und Regeneration der Haut eine große Rolle. Aus diesem Grund sind sie besonders bei der Entwicklung neuer Therapiemöglichkeiten, die die Haut betreffen, wichtig. Erkrankungen des Bindegewebes, Lungenfibrose oder sogar Tumore können so durch die Erforschung der Fibroblasten besser verstanden werden.

Auch spielen die Fibroblasten eine besondere Rolle bei der Entwicklung von Angiogenesemodellen. Die Angiogenese ist die Bildung neuer Blutgefäße aus bereits vorhandenen. Dabei wandern Endothelzellen zu dem Punkt, an dem die Blutgefäße entstehen sollen und bilden sich zu dünnen Kapillaren. 

Bei in vitro Angiogenesemodellen werden Fibroblasten verwendet, die Wachstumsfaktoren ausschütten, welche wiederum die Ausbildung der Blutgefäße durch Endothelzellen initiieren.10 Diese in vitro Modelle können dann verwendet werden, um den Einfluss verschiedene Substanzen oder Medikamente auf das Blutgefäßsystem zu testen. Außerdem kann es der Versorgung von in vitro Organen dienen. 

Von besonderem Interesse sind Fibroblasten im ästhetischen Bereich. Dort sollen sie der Verjüngung der Haut dienen.

Fibroblasten sind Hauptzellen des Bindegewebes. Dort sind sie für die Festigkeit sehr wichtig, da sie unter anderem stützende Moleküle herstellen. In der Haut unterstützen sie die Aufnahme von Feuchtigkeit. Deshalb wird in der Forschung zu Anti-Aging-Produkten und -Behandlungen auch an Fibroblasten geforscht. 

Das durch die Fibroblasten gebildete Kollagen sorgt für eine erhöhte Festigkeit der extrazellulären Matrix. Mit dem Alter nimmt die Anzahl an Fibroblasten im Bindegewebe ab. Sie werden weniger produktiv und das Gewebe verliert an Festigkeit. Mittels regenerativer Technologien kann direkt in die Zellen eingewirkt werden, um dem entgegenzuwirken. Hauteigene Fibroblasten können hierfür in die Haut gespritzt werden. 

Nach ca. 25-30 Jahren beginnt die Haut biologisch zu altern. Kollagen, Hyaluronsäure und Elastin, welche zu den wichtigsten Bestandteilen der interzellulären Matrix gehören, verringern sich. Dadurch wird die Haut dünner, Elastizität und Straffheit nehmen ab und Falten bilden und vertiefen sich. Die Ursache hierfür ist der 10 -15%ige Schwund der Fibroblasten alle 8-10 Jahre. 

Dem kann entgegengewirkt werden, indem im jungen Alter Fibroblasten entnommen und kryokonserviert werden. Auf diese Weise lassen sie sich für einen längeren Zeitraum lagern, ohne ihre Vitalität zu verlieren, wenn sie später aufgetaut werden. 

Werden die wieder aufgetauten Fibroblasten in die Haut eingeführt, so sind sie in der Lage, den ganzen Satz der Bestandteile der interzellulären Matrix zu synthetisieren. Folglich sieht die Haut besser aus, sie gewinnt an Straffheit und Elastizität. Der Alterungsprozess wird dadurch verlangsamt. 

Diese Art des Anti-Aging-Verfahrens ist insofern natürlich, als dass sie auf natürliche Weise erfolgt und lediglich die eigenen biologischen Reserven nutzt.11

Aus einer Studie aus dem Jahr 2017 geht hervor, dass Fibroblasten die Wirksamkeit einer Chemotherapie bei Bauchspeicheldrüsenkrebs verringern.12 Patienten mit dieser Krebsart im fortgeschrittenen Stadium werden in der Regel mit einem Chemotherapeutikum namens Gemcitabin behandelt. Das Mittel verlängert die Überlebenszeit jedoch nur um wenige Monate. Dabei ist die Wirkung von Gemcitabin bei Testversuchen mit Krebszellen aus der Bauchspeicheldrüse in der Petrischale vielversprechend.

Das Chemotherapeutikum wird den Zellen bzw. dem Organismus in seiner inaktiven Form zugegeben und erst dort in eine aktive Form überführt. Enzyme hängen dem Molekül Phosphatgruppen an und katalysieren es so zu Gemcitabintriphosphat, der biologisch aktiven Form. Diese wird als Baustein in die DNA eingebaut. Während der DNA-Synthese verhindert es so die Zellteilung. 

Nun stellt es sich heraus, dass die Bindegewebszellen, welche die Tumore umgeben, das Therapeutikum aufnehmen und in die aktive Form verstoffwechseln. Allerdings kann es die Zellmembran der Fibroblasten nicht passieren. Aus diesem Grund kann es nicht die Tumorzellen im Körper erreichen und dort wirken. 

Dieses Wissen über die Fibroblasten ermöglicht die Forschung an einer besseren Methode zur Bekämpfung der Metastasen. Jedoch erweist sich auch dies als schwierig, da beispielsweise Therapiemethoden, die auch das Bindegewebe um den Tumor angreifen, im Organismus zu neuen Metastasen führen könnten. Anhand von Versuchen mit genetisch veränderten Mäusen stellte sich nämlich heraus, dass das Medikament bei Tieren mit weniger Bindegewebe zunächst besser anschlug, diese jedoch früher starben, da sich bei ihnen vermehrt neue Metastasen bildeten.13

Eine Studie aus dem Jahr 2015 belegte jedoch, dass das Bindegewebe das Wachstum von Tumoren verlangsamt. Dies wurde nachgewiesen, indem Versuchstieren mit Tumoren in der Bauchspeicheldrüse Fibroblasten entfernt wurden. Folglich wuchs der Tumor schneller. Demnach sorgten Fibroblasten um den Tumor dafür, dass dieser abgekapselt wurde, sodass er nicht weiter mit Nährstoffen versorgt werden konnte.14

Fibroblasten können durch ihr vermehrtes Wachstum zu Tumoren führen. Dabei kann es sich sowohl um gutartige Fibrome, aber auch um bösartige Fibrosarkome handeln.

Fibrome können an jeder Körperstelle auftreten, die Bindegewebe enthält. Sie können in weicher und harter Form auftreten. Zur Bildung von Fibromen kommt es durch die verstärkte Vermehrung von Fibroblasten. Dadurch kommt es zum vermehrten Gewebewachstum an einer Stelle. Wodurch es zu dem verstärkten Wachstum kommt, ist unbekannt. Allerdings ist diese Art des Tumors ungefährlich und bleibt es auch.15

Anders ist dies bei dem Fibrosarkom. Diese bösartige Wucherung befindet sich auch im Bindegewebe, meist an den Beinen. Selten kommt sie aber auch an Armen vor. Die genauen Ursachen der Bildung sind auch hier unbekannt. Sie entstehen allerdings durch sich überdurchschnittlich schnell teilende Fibroblasten.16

Zusammenfassend spielen Fibroblasten eine wichtige Rolle beim Tumorwachstum, ob sie ihn umgeben oder ob sie durch ihre erhöhte Vermehrung selbst zu deren Bildung führen. Aus diesen Gründen sind sie bei der Krebsforschung von hohem Interesse und können bei der Erforschung ihres Verhaltens zu neuen Therapiemethoden verhelfen

 

So funktioniert die Verifizierung von Fibroblastenzellen mit dem fluidlab R300

Mit dem fluidlab R-300 können Fibroblasten gezählt und ihre Viabilität gemessen werden. Dafür wird kein Farbstoff verwendet, wodurch die Messung schneller abläuft. Außerdem wird auf diese Weise die Viabilität der Fibroblasten nicht beeinflusst.

Das fluidlab R-300 ist der erste tragbare, automatisierte Zellzähler. Während andere automatisierte Zellzähler oft unhandlich und aus diesem Grund an einen festen Platz im Labor gebunden sind, ist das fluidlab R-300 um ein Vielfaches kleiner und leichter.

Dies bietet die Möglichkeit, Zellzählungen an verschiedenen Arbeitsorten durchzuführen und kann bspw. direkt unter der sterilen Workbench platzsparend eingesetzt werden.

Zusätzlich bietet es weitere Vorteile:

  • Das holographische Mikroskop muss nicht kalibriert werden.
  • Durch den automatischen Fokus muss die Fokussierungsebene nicht selbst ausgewählt werden.
  • Das neuronale Netzwerk zählt die Fibroblasten zuverlässig mit einer hohen statistischen Sicherheit.
  • Ein geringes Probenvolumen reicht bereits aus, um zuverlässige Ergebnisse zu erhalten.

 

Dies erleichtert und beschleunigt die Zählung, sowie die Analyse der Fibroblasten im Labor.

Sie möchten selbst von den Vorteilen des fluidlab R-300 Gebrauch machen? Kontaktieren Sie gerne unseren Kundenservice unter info@anvajo.com.

Wie schnell kann das fluidlab Fibroblasten erfassen und zählen?

Das holographische Mikroskop des fluidlab R-300 erstellt Hologramme der Fibroblasten, welche wertvolle Informationen über die Probe beinhalten. Die aufgenommenen Bilder werden von Machine Learning Algorithmen analysiert, um die Zellzahl und Viabilität der Fibroblasten zu bestimmen. Innerhalb von 30 Sekunden liegt anschließend das Ergebnis der Messung vor.

Welche Zellgrößen können mit dem fluidlab analysiert werden?

Das fluidlab kann Zellen von 3 µm - 80 µm zählen. Die Viabilität wird für Zellen mit einer Größe von 8 µm - 80 µm erfasst. Da die Fibroblasten eine Größe von bis zu ca. 50 µm aufweisen, können sie vom fluidlab ohne Probleme analysiert werden. 

 

Die Zell-Validierung von Fibroblasten ist mit Hilfe des fluidlab R300 auch bei Tieren möglich

Tierische Zellen unterscheiden sich im Aufbau nicht von menschlichen Zellen. Beide Zelltypen werden von einer selektiv permeablen Plasmamembran umgeben. Das Zytoplasma befindet sich im Inneren und darin der Nukleus sowie die Zellorganellen.17

Aus diesem Grund ist es mit dem fluidlab R-300 nicht nur möglich menschliche, sondern auch tierische Fibroblasten zu validieren. Dies kann besonders für Katzen wichtig sein, da es bei ihnen häufig zum Auftreten von Fibrosarkomen, bösartigen mesenchymalen Tumoren, kommt. Diese aus den Fibroblasten hervorgehenden Tumore sind Folgen von spontanen Mutationen, deren Bildung keine besondere Ursache haben muss.

Jedoch wurde bei Katzen ein gehäuftes Auftreten dieser Tumore, besonders nach Impfungen, festgestellt.18 Das fluidlab R-300 ermöglicht auch hier die Validierung der Fibroblasten. 

 

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1 Sauermost R. et al., 1999, Fibroblasten. Lexikon der Biologie, Spektrum Akademischer Verlag, https://www.spektrum.de/lexikon/biologie/fibroblasten/24391 [28.05.20]

2 Meister, P., 1998, Myofibroblasten Übersicht und Ausblick. Pathologe 19, 187–193

3 Nonnenmacher, 2019, Myofibroblasten, https://medlexi.de/Myofibroblasten [28.05.20]

4 Vgl. Nonnenmacher, 2019

5 Vgl. Meister, P., 1998

6 Schöni-Affolter F., Das Bindegewebe. Division of Histology, https://www3.unifr.ch/apps/med/elearning/de/bindegewebe/downloads/bg_print_d.pdf [04.06.20]

7 Lynne A. et al., 2009, Fibroblasts. Asthma and COPD (Second Edition), https://www.sciencedirect.com/topics/neuroscience/fibroblast [05.06.20]

8 Vgl. Sauermost R., et al., 1999

9 Vgl. Sauermost R. et al., 1999

10 Andrew C. Newman et al., 2011, The requirement for fibroblasts in angiogenesis: fibroblast-derived matrix proteins are essential for endothelial cell lumen formation. Molecular Biology of the Cell Vol. 22, No. 20, https://doi.org/10.1091/mbc.e11-05-0393 [11.09.20]

11 2017, https://www.cosmacon.de/glossary/fibroblasten/ [11.09.20]

12 Hessmann et al. 2017 Fibroblast drug scavenging increases intratumoural gemcitabine accumulation in murine pancreas cancer, Gut. 2018 Mar;67(3):497-507

13 Der seltsame Appetit der Fibroblasten https://www.doccheck.com/de/detail/articles/612-der-seltsame-appetit-der-fibroblasten [01.09.20]

14 2015, Wie die Forschung versucht den Krebs in Schach zu halten, Focus, https://www.focus.de/gesundheit/ratgeber/krebs/therapie/neue-therapieansaetze-krebs-keine-lokal-begrenzte-erkrankung_id_5003398.html [01.09.20]

15 Mai, Manuela 2019, Fibrom: Entfernung nur aus kosmetischen Gründen notwendig. https://www.focus.de/gesundheit/ratgeber/krebs/therapie/neue-therapieansaetze-krebs-keine-lokal-begrenzte-erkrankung_id_5003398.html [01.09.20]

16 Fibrosarkom- Ursachen, Symptome & Behandlung https://medlexi.de/Fibrosarkom [01.09.20]

17 Minuth W. et al., 2003, Zukunftstechnologie Tissue Engineering: Von der Zellbiologie zum künstlichen Gewebe, Zellen und Gewebe, Regensburg, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, S. 5

18 https://www.zooplus.de/magazin/katze/katzengesundheit-pflege/fibrosarkom [11.09.20]