Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Das Verhalten von Zellen wird berechenbarer

25.08.2003


Zell-Matrix-Adhäsion auf einer flachen Unterlage. Aufsicht auf eine fluoreszierend markierte Fibroblasten-Zelle: Bündel von Aktinfilamenten (grün), die zum inneren Skelett der Zelle gehören, enden an Fokalkontakten (rot), die die Zelle mit ihrer Umgebung verbinden. Foto: Weizmann-Institut, Israel



Vorhersage des Zellverhalten in weicher Umgebung: (a) Zellen bevorzugen die Richtung der größten effektiven Steifigkeit in ihrer Umgebung und orientieren sich deshalb zum Beispiel senkrecht zu einer festgehaltenen Grenzfläche. (b) Bei freien Grenzflächen ist die parallele Orientierung für Zellen optimal. (c) Eine entsprechende Anordnung ergibt sich auf einem elastischen Substrat in der Nähe einer Grenzlinie zwischen einer weichen (links) und einer harten Region (rechts). (d) Mehrere Zellen ordnen sich bevorzugt in einer Reihe an, weil jede Zelle die elastische Umgebung an ihren Enden versteift. Foto: Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung


Max-Planck-Forscher können erstmals vorhersagen, wie sich Zellen in elastischer Umgebung verhalten / Wichtige Erkenntnisse für Biotechnologie und Medizin


Biologische Zellen verhalten sich in dreidimensionalen weichen Umgebungen deutlich anders als auf harten Glasunterlagen, auf denen sie traditionellerweise untersucht werden. Jüngste Experimente mit Zellen auf elastischen Substraten haben gezeigt, dass die Kräfte an den Kontaktstellen zwischen Zellen und Umgebung sowie die Elastizität der Umgebung einen erheblichen Einfluss auf die Entwicklung und das Verhalten der Zellen haben. Forschern vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Golm bei Potsdam ist es jetzt gelungen, die dabei ablaufenden Vorgänge in einem Modell zu beschreiben, mit dem nun erstmals das Verhalten von Zellen auf und in weichen Materialien erklärt und sogar vorausgesagt werden kann (PNAS, 5. August 2003). Ein derart verbessertes Verständnis mechanischer und biochemischer Aspekte der Zelladhäsion trägt nicht nur zur Grundlagenforschung an biologischen Systemen bei, sondern lässt sich auch für viele Anwendungen nutzen, von der Kontrolle des Zellverhaltens auf Biochips und in künstlichen Geweben bis hin zur Herstellung von Implantaten.

Der menschliche Körper besteht aus etwa zehn Billionen (1013) Zellen, die sich in mehr als 200 verschiedene Zelltypen unterteilen lassen. Damit unser Körper seine Funktion erfüllen kann, müssen zwei scheinbar gegensätzliche Prinzipien erfüllt sein: Einerseits sollten die Zellen unseres Körpers so aneinander haften, dass er nicht einfach auseinander fällt. Andererseits müssen die Zellen aber auch die Möglichkeit haben, sich schnell umzugruppieren, zum Beispiel, um auf Infektionen oder Verletzungen reagieren zu können. Die Natur hat dazu mehrere Strategien entwickelt: Zum einen besteht zwischen den Gewebezellen die extrazelluläre Matrix, ein löchriges Proteinnetzwerk, über das die Zellen zwar miteinander verbunden sind, das ihnen aber auch ausreichend Platz zur Bewegung gibt. Zum anderen nehmen an ihre Umgebung haftende Zellen über Hunderte von Kontaktpunkten ständig Informationen über deren mechanischen Eigenschaften auf, indem sie versuchen, diese Umgebung an sich zu ziehen. Die dabei aufgebauten Kräfte werden dann in biochemische Signale und damit in zelluläres Verhalten umgesetzt, mit dem die Zelle dynamisch auf eintretende Veränderungen reagiert.


Die Regulation dieser biologischen Prozesse durch physikalische Prinzipien zu erklären ist eine große Herausforderung in der Grundlagenforschung, die nur in interdisziplinärer Zusammenarbeit bewältigt werden kann. Auf dem Gebiet der "soft matter", der weichen Materie, stellen sich heute Fragen wie: Welche Kräfte kontrollieren die Zelladhäsion, oder, welchen Einfluss haben die elastischen Eigenschaften der Umgebung auf das Verhalten von Zellen? Dr. Ulrich Schwarz, Leiter einer Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe am Golmer Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung, hatte in enger Zusammenarbeit mit Materialwissenschaftlern und Zellbiologen vom Weizmann-Institut in Israel bereits vor einiger Zeit nachgewiesen, dass die Wechselwirkung zwischen den elastischen Eigenschaften der Umgebung und den biochemischen Entscheidungsprozessen in einer Zelle über so genannten "Fokalkontakte" vermittelt wird. Hierbei handelt es sich um relativ große Proteinaggregate an der Zellmembran, die das innere Proteinskelett der Zelle mit der extrazellulären Umgebung verbinden. Mit Hilfe von mikrostrukturierten elastischen Substraten, Fluoreszenzmarkierungen der Fokalkontakte und elastizitätstheoretischen Rechnungen konnten die Wissenschaftler zeigen, dass diese Fokalkontakte umso größer werden, je stärker die dort von der Zelle auf ihre Umgebung ausgeübte Kraft wächst. Zudem fanden die Wissenschaftler heraus, dass umgekehrt auch von außen auf die Zelle ausgeübte Kräfte zu vergrößerten Fokalkontakten führen. Damit war klar, dass Fokalkontakte als Mechanosensoren funktionieren, die physikalische Kräfte in Proteinaggregationen und damit in biochemische Vorgänge innerhalb der Zelle übersetzen.

Diese und andere experimentellen Befunde der letzten Jahre belegen, dass Zellen sich über die Ausübung von Kräften an Fokalkontakten Informationen über die elastischen Eigenschaften ihrer unmittelbaren Umgebung verschaffen. Hierbei stellte sich heraus, dass bestimmte Zelltypen sich physiologisch optimal in einer Umgebung mit relativ geringer Steifigkeit verhalten, also unter ähnlichen Verhältnissen wie im Körper. Darüber hinaus reagieren Zellen äußerst empfindlich, wenn sich die elastischen Eigenschaften ihrer Umgebung verändern. Um physiologische Vorgänge, die stark von den elastischen Eigenschaften ihrer Umgebung abhängen, wie die Aufrechterhaltung von Bindegewebe, das Heilen einer Wunde oder die Bewegung von Zellen (insbesondere von Krebszellen), besser verstehen und damit auch kontrollieren zu können, muss man also untersuchen, wie sich kraftabhängige Prozesse an Fokalkontakten in zelluläres Verhalten übersetzen.

Jetzt ist es Schwarz gemeinsam mit seiner Mitarbeiterin Ilka Bischofs gelungen, ein Modell zu entwickeln, mit dem sie erstmals das Verhalten einer Zelle in weichen Materialien vorhersagen können. Dieses Modell beruht auf zwei wesentlichen Befunden aus den experimentellen Untersuchungen: 1. Zellen bevorzugen eine weiche Umgebung für ein normales Verhalten. 2. In einer weichen Umgebung orientieren sich Zellen in Richtung einer höheren Steifheit, suchen gewissermaßen dort einen Halt. Das liegt möglicherweise daran, dass die Fokalkontakte in Richtung auf eine höhere Steifheit die Kraft effektiver aufbauen können, die für ihre Funktion so wichtig ist.

Mit Hilfe elastizitätstheoretischer Rechnungen haben die Forscher nun vorausgesagt, wie sich eine Zelle in bestimmten Situationen in Abhängigkeit von den äußeren Gegebenheiten verhalten wird. So sollten sich einzelne Zellen in einer weichen Umgebung nahe einer Oberfläche, die sich nicht deformieren kann, bevorzugt senkrecht zu dieser anordnen. An Oberflächen, die sich frei im Raum verformen können, sollten sich einzelne Zellen hingegen parallel ausrichten, da in diesem Fall eine senkrechte Orientierung weicher erscheinen würde. Des Weiteren besagt das Modell, dass sich mehrere Zellen aufgrund von Deformationen des sich zwischen ihnen befindlichen elastischen Materials tendenziell eher in Reihen anordnen. In einem von außen erzeugten Verformungsfeld sollten sich diese Reihen dann parallel ordnen.

Diese Voraussagen zu Zellorientierung und -positionierung stimmen mit vielen bereits in der Fachliteratur berichteten experimentellen Beobachtungen überein. Diese lassen sich nun mit der neuen Theorie auf eine einheitliche Basis stellen. Viele der Aussagen sind aber auch neu und sollen deshalb jetzt in weiteren Experimenten überprüft werden. Schon jetzt ist aber klar, dass Modelle wie das von Bischofs und Schwarz in der Zukunft zu wichtigen Anwendungen in Biotechnologie und Medizin führen werden, zum Beispiel um Zellverhalten in künstlichem Gewebe und nahe von Implantaten vorherzusagen.

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Dr. Ulrich Schwarz
Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung, Golm
Tel.: 0331 567 - 9610
Fax.: 0331 567 - 9602
E-Mail: Ulrich.Schwarz@mpikg-golm.mpg.de

Dr. Ulrich Schwarz | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpikg-golm.mpg.de

Weitere Berichte zu: Fokalkontakte Zelle Zelltyp Zellverhalten

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Mainzer Physiker gewinnen neue Erkenntnisse über Nanosysteme mit kugelförmigen Einschränkungen
27.06.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Glykane als Biomarker für Krebs?
27.06.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Vorbild Delfinhaut: Elastisches Material vermindert Reibungswiderstand bei Schiffen

Für eine elegante und ökonomische Fortbewegung im Wasser geben Delfine den Wissenschaftlern ein exzellentes Vorbild. Die flinken Säuger erzielen erstaunliche Schwimmleistungen, deren Ursachen einerseits in der Körperform und andererseits in den elastischen Eigenschaften ihrer Haut zu finden sind. Letzteres Phänomen ist bereits seit Mitte des vorigen Jahrhunderts bekannt, konnte aber bislang nicht erfolgreich auf technische Anwendungen übertragen werden. Experten des Fraunhofer IFAM und der HSVA GmbH haben nun gemeinsam mit zwei weiteren Forschungspartnern eine Oberflächenbeschichtung entwickelt, die ähnlich wie die Delfinhaut den Strömungswiderstand im Wasser messbar verringert.

Delfine haben eine glatte Haut mit einer darunter liegenden dicken, nachgiebigen Speckschicht. Diese speziellen Hauteigenschaften führen zu einer signifikanten...

Im Focus: Kaltes Wasser: Und es bewegt sich doch!

Bei minus 150 Grad Celsius flüssiges Wasser beobachten, das beherrschen Chemiker der Universität Innsbruck. Nun haben sie gemeinsam mit Forschern in Schweden und Deutschland experimentell nachgewiesen, dass zwei unterschiedliche Formen von Wasser existieren, die sich in Struktur und Dichte stark unterscheiden.

Die Wissenschaft sucht seit langem nach dem Grund, warum ausgerechnet Wasser das Molekül des Lebens ist. Mit ausgefeilten Techniken gelingt es Forschern am...

Im Focus: Hyperspektrale Bildgebung zur 100%-Inspektion von Oberflächen und Schichten

„Mehr sehen, als das Auge erlaubt“, das ist ein Anspruch, dem die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) gerecht wird. Die neue Kameratechnologie ermöglicht, Licht nicht nur ortsaufgelöst, sondern simultan auch spektral aufgelöst aufzuzeichnen. Das bedeutet, dass zur Informationsgewinnung nicht nur herkömmlich drei spektrale Bänder (RGB), sondern bis zu eintausend genutzt werden.

Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt eine integrierte HSI-Lösung, die das Potenzial der HSI-Technologie in zuverlässige Hard- und Software überführt und für...

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Internationale Fachkonferenz IEEE ICDCM - Lokale Gleichstromnetze bereichern die Energieversorgung

27.06.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zu aktuellen Fragen der Stammzellforschung

27.06.2017 | Veranstaltungen

Fraunhofer FKIE ist Gastgeber für internationale Experten Digitaler Mensch-Modelle

27.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Mainzer Physiker gewinnen neue Erkenntnisse über Nanosysteme mit kugelförmigen Einschränkungen

27.06.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wave Trophy 2017: Doppelsieg für die beiden Teams von Phoenix Contact

27.06.2017 | Unternehmensmeldung

Warnsystem KATWARN startet international vernetzten Betrieb

27.06.2017 | Informationstechnologie