Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Lebensretter identifiziert: Mechanismen der initialen Blutgerinnung aufgedeckt

14.05.2007
Physikern der TU München und der Universität Augsburg ist es gemeinsam mit Medizinern der Universität Münster gelungen, das Rätsel der initialen Blutgerinnung zu lösen. Die Zusammenarbeit liefert fundamental neue Einsichten, die Gefäßkrankheiten, wie z. B. die Arteriosklerose, in einem neuen, medizinisch-physikalischen Licht erscheinen lassen und die Grundlage zu neuartigen Therapieansätzen bilden werden. Dies verstärkt die Hoffnungen, die von-Willebrand-Erkrankung als häufigste Erbkrankheit therapieren zu können. Der Kooperation verschiedener Forscher in unterschiedlichen Disziplinen im Exzellenz-Cluster "Nanosystems Initiative Munich" (NIM) führte zu diesem Bahn brechenden Erfolg.

Bisher war auch nach Jahren intensiver Forschung die Blutgerinnung immer noch ein großes Rätsel der Medizin. Ausschlaggebend für den Verschluß von Verletzungen in Blutgefäßen ist die Aktivierung des von-Willebrand-Faktors (vWF), eines Proteins, das als Trägerprotein eine wichtige Rolle bei der Blutstillung spielt. Ohne diese Funktion würde auch die kleinste äußere Verletzung unweigerlich zum Tode durch Verbluten führen.

Der vWF wird von den Endothelzellen gebildet, die die Innenwand eines Blutgefäßes (die Intima) bilden. Kommt es zu einem Riss dieser Innenwand, werden die darunter liegenden Proteine der Gefäßwand freigelegt. An diese kann der von-Willebrand-Faktor binden. Bestimmte zelluläre Elemente des Blutes, die Blutplättchen (Thrombozyten), verfügen auf ihrer Oberfläche über eine Andockstelle, an die der von-Willebrand-Faktor binden kann. Der vWF schafft also eine Brücke zwischen den Blutplättchen und der verletzten Gefäßwand. Doch die Frage, wie es zur Anheftung an die Gefäßwand kommt und damit zum Verschluß einer Verletzung, blieb bislang ungeklärt.

Darüber hinaus lassen Untersuchungen erkennen, dass die Anhaftung bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten effektiver funktionierte als bei niedrigen - für den menschlichen Organismus absolut lebensnotwendig, denn durch den im Herzen erzeugten Blutdruck wird gerade in kleineren Gefäßen - z. B. in den Arteriolen - eine weitaus höhere Scherrate als in großen Gefäßen erzeugt. Diese hohe Scherrate setzt Gefäßwände einer hohen mechanischen Belastung aus, die die Bildung von Verletzungen und Rissen begünstigt. Tatsächlich ist der vWF gerade dort besonders "fleißig" und effektiv. Das Rätsel, weshalb der vWF gerade bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten besonders effektiv wirkt, scheint nun gelöst

Der vWF als "mechanisch schaltbares" Molekül

Bisherige Untersuchungen stellten enzymatische und biochemische Aspekte in ihr Zentrum. Offensichtlich sind bei der Aktivierung des vWF aber mechanische Kräfte am Werk, große Scherkräfte nämlich, die bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten - also unter Bedingungen, wie sie in den Arteriolen des menschlichen Blutkreislaufes herrschen - wirksam sind. Insofern mussten sich Wissenschaftler verschiedener Disziplinen zusammentun, um Fortschritte bei der Erforschung des Phänomens zu erzielen. Solch ein entscheidender Fortschritt hat sich nun aus der Zusammenarbeit der Physiker-Arbeitsgruppen der TU München und der Universität Augsburg einerseits mit Medizinern aus Münster andererseits ergeben, die der im Rahmen der Exzellenzinitiative des Bundes geförderten "Nanosystems Initiative Munich" (TUM und LMU München) angehören.

Strömungssimulation im Computer

Die Arbeitshypothese am Anfang war, dass das ungefähr kugelförmige vWF Protein durch die Scherkräfte entfaltet wird, und dadurch die spezifischen Bindungsgruppen überhaupt erst an die Gefäßwand andocken können. Die Verformung eines kugelförmigen weichen Objekts in einer Strömung ist ein klassisches Problem der Strömungsdynamik und Beispiel einer Reihe von so genannten hydrodynamischen Instabilitäten, wie sie im Alltag und der Technik eine wichtige Rolle spielen. So beschreibt die Kelvin-Helmholtz-Instabilität das Verwirbeln zweier paralleler Flüssigkeits- oder Gasströmungen entgegengesetzter Richtung. Dieser Effekt trägt zur Wolkenbildung und zum Wettergeschehen auf der Erde bei. Ein anderes anschauliches Beispiel liefern Wellen auf einem See bei Wind oder der sich kräuselnde Rauch eines Räucherstäbchens in einem ansonsten ruhigen Zimmer. In dem hier behandelten Beispiel eines Proteins liegen die Größenskalen allerdings auf der Nanometer-Skala, und tatsächlich werden für Instabilitäten im Nanobereich, anders als im makroskopischen Bereich, thermische Anregungen relevant. An dieser Stelle wurden die Computersimulationen von Dr. Alfredo Alexander-Katz für das Forschungsprojekt sehr wichtig, der finanziert durch ein Stipendium der amerikanischen National Science Foundation (NSF) zwei Jahre am Lehrstuhl für Weiche Materie von Prof. Roland Netz gearbeitet hat. In seinen Simulationen konnte Dr. Alexander-Katz zeigen, dass die Entfaltung eines Proteins mit einer so genannten Protrusion (Verschiebung) startet: das ist eine kleines Stück des fadenförmigen Proteins, das aus der kugelförmigen Faltungsstruktur herausschaut. Dies ist in der Abbildung veranschaulicht, in der zeitlich aufeinander folgende Schnappschüsse aus der Simulation gezeigt werden. Die Protrusion bildet die erste Phase der kompletten Entfaltung des Proteinmoleküls, welches in der Simulation vereinfacht durch eine Perlenkette von einander anziehenden Kugeln dargestellt ist. In der gemeinsam von Dr. Alexander-Katz und Prof. Netz erarbeiteten Theorie, die im letzten Jahr in Physical Review Letters veröffentlicht wurde, wird dieser Protrusions-induzierte Entfaltungsmechanismus entschlüsselt. Insbesondere wird vorhergesagt, dass die Größe des Proteins der entscheidende Parameter für die Entfaltung im Scherfluss ist. Um ein Protein bei den in kleinen Gefäßen üblichen Scherraten zu entfalten, muss es einen Durchmesser von einem Mikrometer haben. Die erklärt, warum der vWF so riesig ist.

Experimentelle Bestätigung

Um den Effekt der Aktivierung des von-Willebrand-Faktors experimentell zu erforschen, mussten die Wissenschaftler zunächst eine Versuchsanordnung finden, die die Bedingungen in den Blutkapillaren widerspiegelt. Dafür nutzten sie vor allem die in den letzten Jahren in Augsburg entwickelte Methode des so genannten "Chip Labors": Auf einer Chipoberfläche mit einer Größe von einigen Millimetern wird hier unter Nutzung von akustischen Oberflächenwellen ("Nanoerdbeben") eine Strömung in einem nur wenige Mikrometer breiten Kanal erzeugt. Bei den in diesem "Chip Labor" erzeugten verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten ergab die Beobachtung des von-Willebrand-Faktors Erstaunliches: Sehr hohe Fließgeschwindigkeiten führen dazu, dass der vWF plötzlich seine Form ändert und von einer ca. 2 Mikrometer großen Kugel zu einem 100 Mikrometer langen Faden wird, genau wie mit Hilfe der theoretischen Modelle in computergestützten Simulationen vorhergesagt. Durch diese Entfaltung werden Bindungsstellen zur Verfügung gestellt, die vorher im Inneren der Kugel lagen. Mit diesen Bindungsstellen kann der vWF nun sehr effektiv an verschiedene Eiweiße, z. B. an Kollagene, der verletzten Gefäßwand anbinden. Zudem kommt es unter dauerhaft starker Strömung zur Quervernetzung von mehreren vWF-Fäden. An dieses Faser-Netzwerk können Blutplättchen leicht und verlässlich anbinden, was zur effektiven Bildung eines kleinen Blutpfropfens und damit zum Wundverschluss führt.

Der vollständige Fachartikel "Shear-induced unfolding triggers adhesion of von Willebrand factor fibers", in dem S. W. Schneider, S. Nuschele, A. Wixforth, C. Gorzelanny, A. Alexander-Katz, R. R. Netz und M. F. Schneider ihre einschlägigen Untersuchungen und deren Ergebnisse beschreiben, ist am 8. Mai in der US-amerikanischen Zeitschrift "Proceedings of the National Academy of Sciences" (PNAS) erschienen. Die PNAS zählen zu den weltweit angesehensten Zeitschriften in den Naturwissenschaften.

Kontakt:
Technische Universität München
Lehrstuhl für Physik II (T37, Theoretische Physik)
Prof. Dr. Roland Netz
James-Franck-Straße, 85747 Garching
Telefon: 089-289-12394, E-Mail: netz@ph.tum.de

Dr. Ulrich Marsch | idw
Weitere Informationen:
http://einrichtungen.physik.tu-muenchen.de/T37/
http://www.nano-initiative-munich.de/

Weitere Berichte zu: Blutgerinnung Gefäßwand Mikrometer Protein Simulation

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Medizin Gesundheit:

nachricht Neuer Ansatz gegen Gastritis
10.08.2017 | Medizinische Hochschule Hannover

nachricht Wenn Schimmelpilze das Auge zerstören
10.08.2017 | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Medizin Gesundheit >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

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...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

European Conference on Eye Movements: Internationale Tagung an der Bergischen Universität Wuppertal

18.08.2017 | Veranstaltungen

Einblicke ins menschliche Denken

17.08.2017 | Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Eine Karte der Zellkraftwerke

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Chronische Infektionen aushebeln: Ein neuer Wirkstoff auf dem Weg in die Entwicklung

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Computer mit Köpfchen

18.08.2017 | Informationstechnologie