Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Schwimmer mit Igelfrisur

23.10.2006
Forscherteam klärt mit Computersimulationen, auf welche Weise Zellen besonders gut an Gefäßwänden haften können

Mit Hilfe aufwändiger Computersimulationen haben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam und der Universität Heidelberg herausgefunden, wie Form und Verteilung von bestimmten Haftbereichen auf der Zelle ihre Bindung in Blutgefäßen beeinflussen. Demnach sind nicht deren Zahl oder Größe die wichtigsten Parameter, vielmehr ist es am entscheidendsten, wie weit sie aus der Zelloberfläche herausragen. Eine entsprechende "Igelfrisur" wenden weiße Blutkörperchen und Malaria-infizierte rote Blutkörperchen tatsächlich als Haftstrategie an (Physical Review Letters, 28. September 2006).


Abgebildet ist das Computermodell für die Zellhaftung im hydrodynamischen Fluss. Es besteht aus einer Kugel mit zufällig verteilten Adhäsionsflecken und einem Substrat mit den dazu komplementären Partnern. Bild: Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung

Das Blut ist das universelle Transportmittel für verschiedenartige Zellen in unserem Körper. Ihre Bewegung wird durch hydrodynamische Kräfte bestimmt. Die Zellen "ankern" dann an der Gefäßwand des Zielgewebes mit Hilfe spezieller Haftmoleküle, auch Rezeptoren genannt, die sich in vielen Fällen auf der Zelloberfläche in nanometergroßen Haftflecken sammeln. Der Vorgang der Anhaftung basiert auf dem Schlüssel-Schloss-Prinzip, das heißt, ein bestimmtes Haftmolekül bindet in der Regel nur ganz spezielle Partner. So wird garantiert, dass die Zellen nur dort hängen bleiben, wo sie ihre biologische Funktion erfüllen sollen.

Diese Prozesse sind von hoher medizinischer Relevanz; so haften Malaria-infizierte rote Blutkörperchen an Gefäßwänden, um ihrer Vernichtung in der Milz zu entkommen, und weiße Blutkörperchen docken bei ihren Patrouillengängen an den Gefäßwänden an, um anschließend im angrenzenden Gewebe Fremdkörper aufzuspüren (Vgl. MPG-Presseinformation [1]). Zu den "wandernden Klebezellen" gehören auch Stammzellen, die aus dem Knochenmark zu ihrem Zielgewebe ziehen, sowie Krebszellen, die im Körper metastasieren.

Um diese Vorgänge besser zu verstehen, muss man das Zusammenspiel von Hydrodynamik und molekularer Bindung der Haftflecken im Detail nachvollziehen. Die Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam und von der Universität Heidelberg haben zu diesem Zweck ein Computermodell entwickelt, das systematisch untersucht, wie Dichte, Größe und Höhe der Rezeptoransammlungen die Haftung beeinflussen. In Millionen von Computerexperimenten ermittelten die Forscher, wie lange es in Abhängigkeit von diesen Größen dauert, bis der Haftfleck einen Partner auf dem Zielgewebe gefunden hat, während ein Flüssigkeitsstrom die Zelle nach den Gesetzen der Hydrodynamik bewegt. Diese Rechnungen sind sehr aufwändig, weil sie pro Zelle hunderte Flecken berücksichtigen müssen.

In den ersten Simulationen, die den Einfluss der Fließgeschwindigkeit auf die Haftung untersuchten, zeigte sich: Je schneller die Flüssigkeit fließt, desto rascher finden sich auch die Bindungspartner, da die Zelle eine größere Fläche abtasten kann. Anschließend variierten die Forscher die Flecken-Dichte und stellten fest, dass jenseits eines Schwellenwertes von einigen Hundert Rezeptorbereichen pro Zelle eine weitere Beschleunigung der Bindungsentstehung nicht mehr eintritt, denn von da ab überschneiden sich die durch thermische Zufallsbewegung entstehenden effektiven Wirkungsradien der Flecken. Ähnlich verhält es sich mit der Größe der Haftbereiche, der offenbar nur eine untergeordnete Rolle für die Bindungseffizienz spielt.

Verändert man aber die Höhe, mit der die Haftflecken über die Zellmembran hinausstehen, kommt man zu einem überraschenden Ergebnis: Bereits kleine Erhöhungen bewirken eine erheblich schnellere Bindung. Diesen Effekt nutzen weiße Blutkörperchen, indem sie sich mit Hunderten von Ausstülpungen bedecken, den so genannten "Mikrovilli", die etwa 350 Nanometer über die Zelloberfläche ragen, was immerhin fast vier Prozent des Zelldurchmessers ausmacht. Auch Malaria-infizierte rote Blutkörperchen verwenden die "Igelfrisur"-Strategie. Auf ihrer Oberfläche befinden sich 20 Nanometer hohe "Knospen".

Die Wissenschaftler vermuten, dass sie mit ihren Simulationen ein allgemeines biologisches Designprinzip aufgedeckt haben, das auch in anderen hydrodynamischen Zusammenhängen auftritt - beispielsweise bei Bakterien, die sich in medizinischen Durchflussgeräten wie Kathetern oder Dialysen ansammeln. Die entwickelte Software wird es in Zukunft erlauben, solche Situationen viel genauer als bisher zu untersuchen und ist ein weiterer Schritt auf dem Weg zu einer "berechneten" Biologie.

Originalveröffentlichung:

Christian Korn und Ulrich S. Schwarz
Efficiency of initiating cell adhesion in hydrodynamic flow
Phys. Rev. Lett. 97, 28. September 2006)

Dr. Andreas Trepte | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Berichte zu: Blutkörperchen Gefäßwände Haftfleck Zelle Zelloberfläche Zielgewebe

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Mikro-U-Boote für den Magen
24.01.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

nachricht Echoortung - Lernen, den Raum zu hören
24.01.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

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: Scientists spin artificial silk from whey protein

X-ray study throws light on key process for production

A Swedish-German team of researchers has cleared up a key process for the artificial production of silk. With the help of the intense X-rays from DESY's...

Im Focus: Forscher spinnen künstliche Seide aus Kuhmolke

Ein schwedisch-deutsches Forscherteam hat bei DESY einen zentralen Prozess für die künstliche Produktion von Seide entschlüsselt. Mit Hilfe von intensivem Röntgenlicht konnten die Wissenschaftler beobachten, wie sich kleine Proteinstückchen – sogenannte Fibrillen – zu einem Faden verhaken. Dabei zeigte sich, dass die längsten Proteinfibrillen überraschenderweise als Ausgangsmaterial schlechter geeignet sind als Proteinfibrillen minderer Qualität. Das Team um Dr. Christofer Lendel und Dr. Fredrik Lundell von der Königlich-Technischen Hochschule (KTH) Stockholm stellt seine Ergebnisse in den „Proceedings“ der US-Akademie der Wissenschaften vor.

Seide ist ein begehrtes Material mit vielen erstaunlichen Eigenschaften: Sie ist ultraleicht, belastbarer als manches Metall und kann extrem elastisch sein....

Im Focus: Erstmalig quantenoptischer Sensor im Weltraum getestet – mit einem Lasersystem aus Berlin

An Bord einer Höhenforschungsrakete wurde erstmals im Weltraum eine Wolke ultrakalter Atome erzeugt. Damit gelang der MAIUS-Mission der Nachweis, dass quantenoptische Sensoren auch in rauen Umgebungen wie dem Weltraum eingesetzt werden können – eine Voraussetzung, um fundamentale Fragen der Wissenschaft beantworten zu können und ein Innovationstreiber für alltägliche Anwendungen.

Gemäß dem Einstein’schen Äquivalenzprinzip werden alle Körper, unabhängig von ihren sonstigen Eigenschaften, gleich stark durch die Gravitationskraft...

Im Focus: Quantum optical sensor for the first time tested in space – with a laser system from Berlin

For the first time ever, a cloud of ultra-cold atoms has been successfully created in space on board of a sounding rocket. The MAIUS mission demonstrates that quantum optical sensors can be operated even in harsh environments like space – a prerequi-site for finding answers to the most challenging questions of fundamental physics and an important innovation driver for everyday applications.

According to Albert Einstein's Equivalence Principle, all bodies are accelerated at the same rate by the Earth's gravity, regardless of their properties. This...

Im Focus: Mikrobe des Jahres 2017: Halobacterium salinarum - einzellige Urform des Sehens

Am 24. Januar 1917 stach Heinrich Klebahn mit einer Nadel in den verfärbten Belag eines gesalzenen Seefischs, übertrug ihn auf festen Nährboden – und entdeckte einige Wochen später rote Kolonien eines "Salzbakteriums". Heute heißt es Halobacterium salinarum und ist genau 100 Jahre später Mikrobe des Jahres 2017, gekürt von der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM). Halobacterium salinarum zählt zu den Archaeen, dem Reich von Mikroben, die zwar Bakterien ähneln, aber tatsächlich enger verwandt mit Pflanzen und Tieren sind.

Rot und salzig
Archaeen sind häufig an außergewöhnliche Lebensräume angepasst, beispielsweise heiße Quellen, extrem saure Gewässer oder – wie H. salinarum – an...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Neuer Algorithmus in der Künstlichen Intelligenz

24.01.2017 | Veranstaltungen

Gehirn und Immunsystem beim Schlaganfall – Neueste Erkenntnisse zur Interaktion zweier Supersysteme

24.01.2017 | Veranstaltungen

Hybride Eisschutzsysteme – Lösungen für eine sichere und nachhaltige Luftfahrt

23.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Im Interview mit Harald Holzer, Geschäftsführer der vitaliberty GmbH

24.01.2017 | Unternehmensmeldung

MAIUS-1 – erste Experimente mit ultrakalten Atomen im All

24.01.2017 | Physik Astronomie

European XFEL: Forscher können erste Vorschläge für Experimente einreichen

24.01.2017 | Physik Astronomie