Faszinierende Einblicke in das orale Zelluniversum

Bereits aus der Forschung zum menschlichen Mikrobiom wissen wir, dass die lange Zeit unhinterfragte Vorstellung vom menschlichen Körper als monolithisches Individuum ad acta gelegt werden muss. Die Forschung zeigt den Menschen heute als Holobiont aus einer Milliarde eukaryotischer Zellen und noch mehr prokaryotischen Zellen (Bakterien). Ein solcher Holobiont kann nur existieren, wenn seine einzelnen Zellen kontrolliert und gesteuert werden – was ohne Kommunikation undenkbar ist. Zellen sprechen eine eigene Sprache, die Sprache der Zytokine und anderer, vermutlich vielfach noch unentdeckter Moleküle. Wenn es erst einmal möglich ist, die Sprache der Zellen zu verstehen, lässt sich vielleicht lernen, mit ihnen zu sprechen und ihre Aktionen zu steuern. Aber schon beim Durchblättern des neuen Zellatlanten ahnen wir, wie weit dieses Ziel noch entfernt ist. Beim Versuch, die Sprache der Zellen zu sprechen, hilft das Buch immerhin dabei, von der Ebene der unbewussten auf die Ebene der bewussten Inkompetenz wechseln zu können. Es zeigt aber auch die Richtung auf, in die sich Wissenschaft und Forschung in Zukunft entwickeln werden.

Die Zellen sind der Schlüssel für künftige Therapien. Wie Gewebe regeneriert und Krankheiten geheilt werden können, indem die Sprache der Zellen entschlüsselt und ihre Kommunikation gesteuert wird, skizziert dieses Buch. Ebenso werden bereits erreichte klinische Erfolge aufgezeigt, wie zum Beispiel der Einsatz von knochenmorphogenetischem Protein 2 (bone morphogenetic protein, BMP) zur Stimulation von Osteoblasten, um parodontale Knochendefekte aufzufüllen. Statt Knochenmaterial zu transplantieren, wird die körpereigene Regeneration aktiviert und so ein Knochendefekt behoben – ohne Fremdmaterialien und offenen chirurgischen Eingriff.

Andererseits sind auch Osteotomien auf molekularer Ebene denkbar, und zwar mit topisch applizierten Zytokinen, die die Differenzierung und Aktivierung von Osteoklasten fördern. Was für eine Revolution dies in der Kieferorthopädie auslösen könnte, kann man sich gut vorstellen. Dass es solche therapeutischen Ansätze heute noch nicht oder nur sehr rudimentär gibt, liegt daran, dass die Regulierung zellulärer Vorgänge im menschlichen Körper unglaublich komplex ist. Auf diese Komplexität, die sich hauptsächlich aus drei Quellen speist, wird im Zellatlas immer wieder hingewiesen.

Die erste Quelle der Komplexität liegt in der Vielzahl der Zelltypen, die in diesem Buch anhand morphologischer Kriterien vorgestellt werden. Diese Zelltypen sind das Ergebnis eines Differenzierungsvorgangs, der auf der spezifischen Aktivierung einiger weniger der circa 40.000 codierenden und nicht codierenden menschlichen Gene während der Zellentwicklung basiert. Es ist noch ein weiter Weg, bis wir alle diese Gene und ihre Wechselwirkungen verstehen, die sich im Lauf der Evolution über Millionen von Jahren entwickelt haben. Die hohe Komplexität erklärt sich schon allein durch ihre riesige Anzahl. Möglicherweise werden uns neue Technologien wie die Künstliche Intelligenz in Verbindung mit Hochleistungsrechnern dabei helfen können.

Eine zweite Quelle der Komplexität stellt die Vielzahl von Interaktionen zwischen Zellen und ihren Regelkreisen dar. Laut Isaac Newton erzeugt jede Aktion eine gleich große und umgekehrt gerichtete Gegenaktion. Dies gilt nicht nur in der mechanischen Physik, sondern auch für den Zellstoffwechsel und die Zellsteuerung. Denken auf zellulärer Ebene bedeutet Denken in Gleichgewichten.

Zum Beispiel wird der Knochenverlust bei einer Parodontitis nicht von Osteoklasten an sich verursacht. Er ist vielmehr Folge einer allmählichen Verschiebung des physiologischen Gleichgewichts im Rahmen des Knochenumbaus in Richtung Knochenresorption. Viele ineinandergreifende Regelkreise steuern den Knochenumbau, einige davon fördern die Knochenbildung, andere die Knochenresorption. Ein antiinflammatorisches Milieu kommt Osteoblasten zugute, ein proinflammatorisches Osteoklasten. Zudem löst die Aktivierung eines Zelloberflächenrezeptors ein zweites Botenstoffsystem im Inneren der Zellen aus, das Signale verstärken oder dämpfen kann und unter dem Einfluss zahlreicher anderer intrazellulärer Regelkreise steht. Selbst die Gene des Zellkerns interagieren auf der nächsthöheren Ebene.

Es liegt auf der Hand, dass in einem komplexen Organismus die unkontrollierte Aktivität eines Zelltyps zu einer ernsthaften Bedrohung werden kann, wie das zum Beispiel bei Krebs der Fall ist. Daher sind die inhibitorischen Regelkreise den stimulierenden Regelkreisen zahlenmäßig überlegen. Es wird daher selten gelingen, mit einem einzigen stimulierenden Einfluss einen Defekt zu heilen. Man muss gleichzeitig immer auch die inhibitorischen Faktoren zurückdrängen.

Eine dritte Quelle der Komplexität bildet die unvorstellbar hohe Anzahl an Signalmolekülen, die selbst extrem klein sind. In einigen Skizzen und schematischen Darstellungen des Zellatlanten sind Zytokine vergrößert abgebildet, so dass leicht ein falscher Eindruck entstehen kann. Eine Zelle ist mit ihren 10 μm schon klein, aber ein Zytokinmolekül ist um den Faktor 1.000 noch kleiner. Dreidimensional bedeutet dies einen Größenunterschied von 1 zu 1 Milliarde zwischen dem Volumen einer Zelle und dem Volumen eines Zytokinmoleküls.

Die Interaktion einer Zelle mit einem Zytokin lässt sich gut mit einem Spaziergang im Nebel vergleichen. Einzelne Teilchen lassen sich im Nebel kaum unterscheiden. Wohl aber lässt sich erkennen, wo der Nebel dichter oder weniger dicht ist – ähnlich ist es mit der Chemotaxis der Zellen. Das erklärt auch, warum eine Zelle nie nur einem einzelnen Signal ausgesetzt ist. Vielmehr werden in einem solchen Molekülnebel bestimmte Signale verstärkt und andere abgeschwächt. Zudem muss aufgrund der geringen Größe der Signalmoleküle der größte Teil der chemischen Stimulation innerhalb der molekularen Reichweite einer Zelle stattfinden. Das bedeutet oft eine lokale Wirkung innerhalb des umgebenden Gewebes. So müssen die Vorläufer der Osteoklasten für ihre Entwicklung Kollagen „spüren“, das an die Knochenoberfläche gebunden und nicht löslich ist. Das beschränkt ihre Differenzierung auf die freiliegende lokale Knochenfläche und verhindert einen unkontrollierten körperweiten Knochenabbau.

Medizin und Zahnmedizin sind angewandte Naturwissenschaften mit einem starken biologischen Unterbau. Insbesondere die Zahnmedizin hat sich von einem eher material- zu einem biologisch orientierten Fachgebiet entwickelt. Früher wurden zahnärztliche Behandlungen (Restaurationen, Zahnersatz) vor allem außerhalb der ektodermalen Barriere durchgeführt.

Heute reicht der Wirkungsbereich im Sinne einer Oralen Medizin in den menschlichen Körper hinein, wenn zum Beispiel intraossäre Implantate gesetzt werden oder die Parodontitis chirurgisch therapiert wird. Darüber hinaus hängt der Erfolg zahnärztlicher Therapien immer mehr von der Kenntnis biologischer Faktoren und anderen gesundheitlichen Risikofaktoren ab.

Viele der im Zellatlas beschriebenen Zelltypen sind an regenerativen Prozessen beteiligt. Dies betrifft zum Beispiel mikrovaskuläre Zellen bei der Neoangiogenese oder Osteoblasten bei der Knochenregeneration. Neben den klassischen Zelltypen im ersten Teil des Buchs werden im zweiten Teil in vier weiteren Kapiteln Organ- beziehungsweise Modellsysteme der Zellkommunikation generischer Art vorgestellt. So kann zum Beispiel 3-D-gedrucktes Hydroxylapatit Knochenheilungsprozesse unterstützen. Klinisch Tätige sollten die Möglichkeiten und Grenzen solcher Ansätze kennen, um sie korrekt einsetzen zu können.

Ziel des Projekts „Kommunikation der Zellen“ ist, die Bedeutung des Verständnisses der Biologie für die klinische Medizin zu unterstreichen. Dies spiegelt sich in der Struktur des Buches wider. Im ersten Teil gliedern sich die Kapitel nach den wichtigsten Zelltypen des oralen Systems. Erstautor des einzelnen Kapitels ist zumeist ein Grundlagenforscher, Zweitautor ein Kliniker beziehungsweise klinischer Forscher. Insgesamt sind 47 Autorinnen und Autoren aus 13 Ländern an dem vorliegenden Zellatlas beteiligt. Der zweite Teil beinhaltet Themen wie zum Beispiel orale Mikrobiota oder auch biomaterialbasierte Modelle, die sich nicht einzelnen Zelltypen zuordnen lassen.

Besonderer Wert wurde auf die Qualität und die Ästhetik des Bildmaterials gelegt, um mikroskopische Strukturen für das Auge plastisch sichtbar zu machen. Dies soll in Verbindung mit den theoretischen Inhalten das Verständnis erhöhen und die Faszination für unser Fachgebiet fördern. Die Herausgeber, sind zutiefst davon überzeugt, dass sich Erfolg und Qualität der klinischen Therapie verbessern lassen, wenn wir ein stärkeres Bewusstsein für die Bedeutung der Zellen als klinische Partner entwickeln. Wir hoffen, dass der Zellatlas dazu beitragen wird.