Ein Forschungsteam um Can Aztekin (jetzt am Friedrich-Miescher-Laboratorium der Max-Planck-Gesellschaft in Tübingen, davor an der École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL)) hat gezeigt, dass der Sauerstoffgehalt in der Umgebung maßgeblich beeinflusst, ob ein Regenerationsprozess nach einer Amputation überhaupt einsetzt. Während Amphibien wie Froschkaulquappen verlorene Gliedmaßen vollständig neu bilden können, scheitert dieser Prozess bei Säugetieren sehr früh. Der entscheidende Unterschied liegt offenbar darin, wie Zellen Sauerstoff wahrnehmen.

Warum Amphibien regenerieren – und Säugetiere nicht

Der Beginn der Regeneration hängt eng mit der Wundheilung zusammen. Nach einer Amputation müssen Zellen die Verletzung rasch schließen und in einen regenerativen Zustand übergehen. Bei Amphibien funktioniert das zuverlässig, bei Säugetieren dagegen nur eingeschränkt: Die Wunde heilt langsam, Narbengewebe entsteht und blockiert die Regeneration.
Ein möglicher Grund dafür ist die unterschiedliche Umwelt. Amphibienlarven leben im Wasser, wo deutlich weniger Sauerstoff vorhanden ist als in der Luft. Säugetiergewebe ist nach Verletzungen hingegen höheren Sauerstoffkonzentrationen ausgesetzt. Ob dieser Unterschied eine Ursache oder nur eine Begleiterscheinung war, war bislang unklar.

Vergleich von Frosch- und Mausgliedmaßen

Um diese Frage zu klären, verglichen die Forschenden amputierte Gliedmaßen von Froschkaulquappen und Mausembryonen unter kontrollierten Bedingungen außerhalb des Körpers. Dabei variierten sie gezielt den Sauerstoffgehalt: von niedrigen Konzentrationen wie im Wasser bis zu Werten, die der Luft entsprechen. Analysiert wurden unter anderem Wundheilung, Zellbewegung, Genaktivität, Stoffwechselprozesse und epigenetische Veränderungen.
Im Mittelpunkt stand das Protein HIF1A, ein zentraler Sauerstoffsensor der Zelle. Bei geringem Sauerstoff bleibt HIF1A stabil und aktiviert Programme, die die Wundheilung und frühe Schritte der Regeneration fördern. Bei hohem Sauerstoff wird es dagegen rasch abgebaut.

Latentes Regenerationspotenzial bei Säugetieren

Die Ergebnisse zeigten: Unter sauerstoffarmen Bedingungen heilten die Wunden an den Gliedmaßen von Mausembryonen schneller, und es traten erste Merkmale eines regenerativen Programms auf. Ähnliche Effekte ließen sich auch erzielen, wenn HIF1A künstlich stabilisiert wurde – selbst bei hohem Sauerstoffgehalt.
Damit deutet vieles darauf hin, dass Säugetiere nicht grundsätzlich zur Gliedmaßenregeneration unfähig sind, sondern dass dieses Potenzial unter normalen Bedingungen nicht ausgeschöpft wird. „Bisher hat sich die Forschung auf auf Amphibien konzentriert, und Regeneration bei Säugetieren wurde nur selten in vergleichbarer Weise experimentell untersucht“, sagt Aztekin.

Deutliche Unterschiede in der Sauerstoffwahrnehmung

Froschkaulquappen reagierten deutlich anders: Ihre Gliedmaßen regenerierten sich über einen breiten Bereich von Sauerstoffkonzentrationen hinweg – selbst bei sehr hohen Werten. Molekulare Analysen zeigten, dass bei ihnen die Aktivität von HIF1A auch unter sauerstoffreichen Bedingungen erhalten bleibt, da hemmende Gene nur schwach aktiviert werden.
Ein Vergleich von Daten aus Fröschen, Axolotl, Mäusen und Menschen ergab ein klares Muster: Regenerationsfähige Arten nehmen Sauerstoff weniger stark wahr, während Säugetierzellen sehr sensibel auf den Sauerstoffgehalt reagieren und regenerative Programme schnell wieder abschalten.

Bedeutung für die Medizin

Die Ergebnisse legen nahe, dass Säugetierglieder in frühen Entwicklungsstadien ein verborgenes Regenerationspotenzial besitzen. Entscheidend ist dabei die Art, wie Zellen Umweltsignale wie Sauerstoff verarbeiten. Zwar zeigen die Experimente nur frühe regenerative Schritte und keinen vollständigen Nachwuchs einer Gliedmaße, sie eröffnen jedoch neue Perspektiven für die Wundheilung und regenerative Medizin.
„Wir sind sehr begeistert über unsere Ergebnisse“, sagt Aztekin. „Durch den direkten Vergleich von Arten, die sich regenerieren können und solchen, die sich nicht können, bieten wir eine neue Perspektive auf eine jahrhundertealte Frage. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Regenerationsprogramme in Säugetierzellen aktiviert werden können, und zeigen einen klaren, überprüfbaren Weg zur gezielten Regeneration von Gliedmaßen bei erwachsenen Säugetieren auf.“

Quelle: Max-Planck-Institut für Biologie Tübingen

kcl