Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mit einem mathematischen Modell das Verhalten von Zellen voraussagen

19.04.2016

Heidelberger Physiker entwickeln neuartige Software für die Lebenswissenschaften

Für die Erforschung zellulärer Prozesse haben Wissenschaftler der Universität Heidelberg ein spezielles mathematisches Modell entwickelt: Mithilfe einer darauf aufbauenden Software können sie simulieren, wie sich größere Ansammlungen von Zellen auf vorgegebenen geometrischen Strukturen verhalten.


Die Computersimulationen zeigen, dass Hautzellen auf einer strukturierten Unterlage, die eine Wunde simuliert, Lücken bis zu einer Größe von etwa 200 Mikrometern als Ensemble überbrücken können.

Philipp Albert

Unterstützt wird damit die Auswertung mikroskopischer Beobachtungen des Zellverhaltens auf strukturierten Unterlagen. Ein Beispiel dafür ist ein Modell für Wundheilung, in dem Hautzellen eine Lücke schließen müssen.

Ein weiterer Anwendungsbereich liegt im Hochdurchsatz-Screening für Medikamente, bei dem automatisch entschieden werden muss, ob ein bestimmter Wirkstoff das Zellverhalten verändert. Die Erkenntnisse der Forscher Prof. Dr. Ulrich Schwarz und Dr. Philipp Albert, die sowohl am Institut für Theoretische Physik als auch am Bioquant-Zentrum der Ruperto Carola tätig sind, wurden jetzt in der Fachzeitschrift „PLOS Computational Biology“ veröffentlicht.

Eines der wichtigsten Fundamente der modernen Lebenswissenschaften ist es, Zellen außerhalb des Körpers zu kultivieren und mit Mikroskopieverfahren beobachten zu können. Auf diese Weise können zelluläre Prozesse viel genauer analysiert werden als im Körper. Dabei treten jedoch spezifische Probleme auf. „Wer biologische Zellen schon einmal unter dem Mikroskop beobachtet hat, weiß, wie unberechenbar ihr Verhalten sein kann.

Auf einer herkömmlichen Kulturschale fehlt ihnen, anders als in ihrer natürlichen Umgebung im Körper, die ,Orientierung‘. Deshalb lassen sich aus ihrer Form und Bewegung bei bestimmten Fragestellungen der Forschung keine Regelmäßigkeiten ableiten“, erläutert Prof. Schwarz. Um mehr über das natürliche Verhalten der Zellen lernen zu können, setzen die Forscher daher auf Methoden aus den Materialwissenschaften.

Die Unterlage zur mikroskopischen Untersuchung wird dabei so strukturiert, dass sie Einfluss auf die Regelmäßigkeit von Zellform und Zellbewegung hat. Dazu werden, so der Heidelberger Physiker, mit bestimmten Druckverfahren Proteine in geometrisch wohldefinierten Bereichen der Unterlage angebracht. Das Zellverhalten kann dann mit den üblichen Mikroskopieverfahren beobachtet und ausgewertet werden.

Die Arbeitsgruppe von Ulrich Schwarz hat sich zur Aufgabe gemacht, das Verhalten von biologischen Zellen auf strukturierten Unterlagen mathematisch zu beschreiben. Derartige Modelle sollen es möglich machen, das Zellverhalten umfassend und quantitativ zu berechnen. Philipp Albert hat dafür ein aufwendiges Computerprogramm entwickelt, das alle wesentlichen Eigenschaften von Einzelzellen und ihrer Wechselwirkung berücksichtigt und vorhersagen kann, wie sich auch größere Ansammlungen von Zellen auf den vorgegebenen geometrischen Strukturen verhalten.

„Aus dem Zusammenspiel mehrerer Zellen entstehen oft überraschende und neuartige Verhaltensmuster wie die Bildung von Strömungen, Wirbeln und Brücken. Wie auch in physikalischen Systemen, etwa Flüssigkeiten, ist hier das Ganze mehr als die Summe der Teile. Unser Software-Paket kann ein solches Verhalten in sehr kurzer Zeit berechnen“, betont Dr. Albert. Seine Computersimulationen zeigen zum Beispiel, dass Hautzellen Lücken in einem Wundmodell als Ensemble überbrücken können, allerdings nur bis zu einer Größe von etwa 200 Mikrometern.

Eine weitere vielversprechende Anwendung, die die Arbeitsgruppe von Dr. Holger Erfle am BioQuant-Zentrum verfolgt, liegt im Bereich des Hochdurchsatz-Screenings von Zellen. Dabei werden robotergesteuerte Anlagen verwendet, um automatisch pharmakologische oder genetische Tests mit vielen verschiedenen Wirkstoffen durchzuführen.

Sie sollen zum Beispiel neue Arzneimittel gegen Viren oder für die Krebstherapie identifizieren. Mithilfe des neuen Programms lässt sich jetzt vorhersagen, welche Geometrien für einen bestimmten Zelltyp am besten geeignet sind. Dabei kann die Software auch aufzeigen, welche unter dem Mikroskop beobachteten Änderungen im Zellverhalten überhaupt erst von Bedeutung sind.

Die Forschungsarbeiten von Prof. Schwarz, Dr. Albert und Dr. Erfle wurden von 2011 bis 2015 von der Europäischen Gemeinschaft im Rahmen des Programms „Micropattern-Enhanced High Throughput RNA Interference for Cell Screening“ (MEHTRICS) gefördert. Neben dem BioQuant-Zentrum waren an diesem Konsortium auch Forschergruppen aus Dresden sowie aus Frankreich, der Schweiz und Litauen beteiligt. Die Arbeiten wurden mit insgesamt 4,4 Millionen Euro unterstützt.

Kontakt:
Prof. Dr. Ulrich Schwarz
Institut für Theoretische Physik
Tel. +49 6221 54-9431
schwarz@thphys.uni-heidelberg.de

Kommunikation und Marketing
Pressestelle
Tel. +49 6221 54-2311
presse@rektorat.uni-heidelberg.de

Marietta Fuhrmann-Koch | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.uni-heidelberg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Ein Holodeck für Fliegen, Fische und Mäuse
21.08.2017 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

nachricht Wie Pflanzen ihr Gedächtnis vererben
21.08.2017 | Gregor Mendel Institut für Molekulare Pflanzenbiologie (GMI)

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: Topologische Quantenzustände einfach aufspüren

Durch gezieltes Aufheizen von Quantenmaterie können exotische Materiezustände aufgespürt werden. Zu diesem überraschenden Ergebnis kommen Theoretische Physiker um Nathan Goldman (Brüssel) und Peter Zoller (Innsbruck) in einer aktuellen Arbeit im Fachmagazin Science Advances. Sie liefern damit ein universell einsetzbares Werkzeug für die Suche nach topologischen Quantenzuständen.

In der Physik existieren gewisse Größen nur als ganzzahlige Vielfache elementarer und unteilbarer Bestandteile. Wie das antike Konzept des Atoms bezeugt, ist...

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

International führende Informatiker in Paderborn

21.08.2017 | Veranstaltungen

Wissenschaftliche Grundlagen für eine erfolgreiche Klimapolitik

21.08.2017 | Veranstaltungen

DGI-Forum in Wittenberg: Fake News und Stimmungsmache im Netz

21.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Im Neptun regnet es Diamanten: Forscherteam enthüllt Innenleben kosmischer Eisgiganten

21.08.2017 | Physik Astronomie

Ein Holodeck für Fliegen, Fische und Mäuse

21.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Institut für Lufttransportsysteme der TUHH nimmt neuen Cockpitsimulator in Betrieb

21.08.2017 | Verkehr Logistik