Entscheidend ist die Kopplung von Zellskelett und Zellmembran

Die Zellfunktion kann durch die Entkopplung von Zellskelett und Zellmembran mittels Zufuhr des energiereichen Moleküls ATP reguliert werden. Wie sie zu diesem Ergebnis mit seinem hohem Anwendungspotential für die medizinische Diagnostik gekommen sind, berichten Augsburger Nanowissenschaftler um den Physiker Prof. Dr. Thomas Franke in einem zum Front Cover-Artikel gekürten Beitrag der Ausgabe 44/2012 der renommierten Zeitschrift „Soft Matter“.

Das Blut wird im menschlichen Organismus permanent durch das Gefäßsystem gepumpt. Dabei durchlaufen seine Hauptbestandteile, die roten Blutkörperchen, während ihrer Lebensdauer von etwa 120 Tagen unzählige Male Arterien und Venen des Körpers. Viele dieser kleinsten Blutgefäße haben lediglich einen Durchmesser von wenigen tausendstel Milimetern und sind damit kleiner als die Blutkörperchen selbst. Erst die enorme Flexibilität und Deformierbarkeit der roten Blutkörperchen macht es möglich, dass sie diesen Stress unbeschadet überstehen.

Diese außerordentliche Anpassungsfähigkeit der roten Blutkörperchen liegt in ihrem „Bauplan“ begründet. Sie sind keine prall aufgeblasenen „Luftballone“, die bei einwirkendem Druck platzen würden, sondern gleichen eher einem „schlaffen Beutel“, den man auch als einen beidseitig eingedellten Pfannekuchen oder Diskus beschreiben könnte. Auch ihr innerer Aufbau ist sehr ausgeklügelt. Die äußere Hülle der roten Blutkörperchen, die Lipidmembran, wird von einem im Zellinneren verankerten Zellskelett stabilisiert. Dieses Zellskelett reorganisiert sich permanent selbst, um so aktiv auf äußere Reize reagieren zu können. Ähnlich wie bei Verbundwerkstoffen ist es dieser „komposite Aufbau“, der den roten Blutkörperchen ihre einzigartigen Eigenschaften verleiht.

Wissenschaftler um den Softmatter-Spezialisten Prof. Dr. Thomas Franke haben am Augsburger Lehrstuhl für Experimentalphysik I nun herausgefunden, dass Zellmembran und Zellskelett keineswegs unabhängig voneinander sind und (re)agieren, sondern dass die Antwort der Zelle auf eine äußere Beanspruchung von ihnen gewissermaßen gemeinsam ab- und bestimmt wird. In kleinsten künstlichen Mikrokanälen, die feine Kapillargefäße des Blutsystems nachbilden, haben die Augsburger Forscher das Deformationsverhalten der roten Blutkörperchen studiert. Dazu haben sie Zellen, durch von ihnen nachgebildete Kapillargefäße gezwängt und mit einer Hochgeschwindigkeitskamera beobachtet, wie sie reagieren, wenn sich der Mikrokanaldurchmesser schlagartig weitet.

Festgestellt werden konnte dabei, dass die Zellen nach dem abrupten Verlassen der Verengung zunächst extrem schnell wieder zum eingedellten „Pfannekuchen“ werden, auf diese blitzartige Rückumwandlung in die Ruheform dann aber ein weiterer, mehrere Sekunden anhaltender und damit um ein Vielfaches langsamerer Prozess folgt, bei dem sich die bereits wieder in die Ruheform zurückgekehrten Zellen aufgrund der anhaltenden Reorganisation des verscherten Zellskeletts drehen.

Dass diese beiden in ihrer Ausprägung und in ihrem zeitlichen Verhalten völlig unterschiedlichen Prozesse – also die schlagartige Rückkehr in die Ruheform einerseits und die langsamere Drehung andererseits – von ein und demselben Parameter, von der Reorganisation des Zellskeletts nämlich, abhängig sind, konnten Franke und seine Kollegen zeigen, indem sie bei ihrem Versuch Membran und Skelett der Zellen durch Zufuhr des Moleküls ATP voneinander abkoppelten. ATP ist der universelle Energieträger in lebenden Organismen. „Wir haben gesehen“, so Franke, „dass die durch die Zufuhr von ATP verursachte Trennung des Zellskeletts von der Zellmembran zu einer Deformation der Zelle führt. Da eine solche Deformation die biologischen Funktionen der Zelle – etwa die Sauerstoffaufnahme – bekanntermaßen entscheidend beeinflusst, bedeutet dies, dass die Zellfunktion durch die Trennung von Membran und Skelett mittels ATP-Zufuhr reguliert werden kann. Und das heißt zugleich, dass Störungen bei der Anknüpfung des Zellskeletts an die Zellmembran, wie sie bei zahlreichen Erbkrankheiten charakteristisch sind, mit unserer Technik direkt nachgewiesen werden können. Unsere Messmethode in Mikrokanälen eignet sich insofern besonders auch für den Einsatz in der Diagnostik solcher Krankheiten.“

Originalbeitrag:

Thomas Franke et al.:
Hydrodynamic deformation reveals two coupled modes/time scales of red blood cell relaxation, http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2012/sm/c2sm26513c/unauth;

erscheint als Front Cover-Artikel in: Soft Matter, Volume 8, Number 44, 28 November 2012

Kontakt:

Prof. Dr. Thomas Franke
Softmatter and Biological Physics
Lehrstuhl für Experimentalphysik I
Universität Augsburg
86135 Augsburg
Telefon +49(0)821-598-3312
thomas.franke@physik.uni-augsburg.de