Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Sich dehnen für die grauen Zellen

27.11.2019

Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation zeigen wie der Nährstofftransport in Blutgefäßen gesteuert werden kann

Das Zellgewebe von Tieren und Pflanzen wird von einem komplexen vaskulären Netzwerk, den Blutgefäßen durchzogen. Dieses versorgt die Zellen in dem Gewebe mit Nährstoffen.


Tiere können einzelne Kapillaren durch Muskeln weiten, um die Nährstoffversorgung in dem vaskulären Netzwerk anders zu verteilen. Wie müssen die Kapillaren geweitet werden, um mehr Nährstoffe in einen bestimmten Bereich des Zellgewebes zu transportieren? Hängt die Änderung der Nährstoffverfügbarkeit für eine Zelle stark von der Position der Zelle im Gewebe ab? Haben vaskuläre Netzwerke einen speziellen Aufbau, der ihnen erlaubt, die Nährstoffzufuhr präzise zu steuern, wenn nur bestimmte Bereiche des Zellgewebes mehr Nährstoffe benötigen?

Diesen Fragen gingen Felix Meigel und Karen Alim von der Arbeitsgruppe "Biologische Physik und Morphogenese" am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation (MPIDS) nach.
In einer neuen Arbeit, gerade im Magazin Physical Review Letters veröffentlicht, haben die beiden Grundlagenforscher beschrieben, wie viele Nährstoffe in der Mikrovaskulatur entlang einzelner Kapillaren an das Gewebe abgegeben werden. Ihr Ergebnis: der Aufbau und die Struktur eines Netzwerkes sind zweitrangig, wenn der Transport der Nährstoffe entlang der Kapillaren durch den Blutfluss dominiert wird.

Netzwerke zeigen komplexe Dynamiken

Blut transportiert Sauerstoff, Hormone und Nährstoffe durch vaskuläre Systeme zu den Zellen in einem Gewebe. Die stärkste Nährstoffabgabe erfolgt dabei in Kapillaren, die ein kompliziertes Netzwerk bilden. Falls eine Zelle einen höheren Nährstoffbedarf hat, sendet die Zelle Signalstoffe aus, die kleine Muskeln an den Kapillaren weiten oder verengen. So kann der Blutfluss und somit auch die Versorgung mit Nährstoffen lokal verändert werden. In Netzwerken jedoch können kleine lokale Änderungen sehr große Auswirkungen hervorrufen. Um genau vorherzusagen, wie sich der Blutfluss nach einer Kapillarerweiterung ändert, ist es notwendig, die Selbstorganisation der gesamten Netzwerktopologie zu kennen. Dabei tauchen Fragen auf wie: Ist die Kapillarerweiterung ein Problem für Zellen in einem Gewebe? Wie kann garantiert werden, dass zuverlässig mehr Nährstoffe zu den Zellen gelangen, die mehr Nährstoffe benötigen?

Mit einer Kombination aus theoretischen Modellen und Computersimulationen an experimentell vermessenen Adernetzwerken untersuchten Felix Meigel und Karen Alim, wie sich die Nährstoffversorgung ändert, wenn eine einzelne Kapillare geweitet wird. Dabei fanden die Forscher heraus, dass nicht nur der Transport zu einer Ader entscheidend ist, sondern auch inwieweit die Kapillare die Nährstoffe aufnehmen kann. Verändert sich die Blutflussgeschwindigkeit oder der Durchmesser einer Kapillare, ändert sich auch die Menge der Nährstoffe, die in der Kapillare absorbiert und an das umliegende Gewebe abgegeben wird. Dabei gibt es drei Absorptionsmöglichkeiten, zum Beispiel, je nachdem wie schnell das Blut fließt: Entweder absorbiert die Kapillare fast alle durchströmenden Nährstoffe oder es dominiert der Transport per Blutfluss durch die Kapillare oder es findet nur ein langsamer, diffuser Transport in der Kapillare statt.

Robuste Verstärkung

In mehr als 99% der Kapillaren dominiert in der Mikrovaskulatur der Transport mit dem Blutfluss, der sogenannte advektive Transport. Für diese Kapillaren puffert die Absorptionsdynamik die Änderungen der Transportdynamik durch das Weiten der Kapillare ab. Die Nährstoffversorgung wird somit robust verstärkt, unabhängig von der genauen Positionierung der Kapillare im komplexen vaskulären Netzwerk. Darüber hinaus gilt als Daumenregel, dass die Kapillaren, die auf die geweitete Kapillare folgen, ebenfalls eine höhere Nährstoffversorgung erhalten.

„In meiner Arbeitsgruppe arbeiten wir an der Frage, wie sich biologische Transportnetzwerke an veränderte Umwelteinflüsse anpassen. Die Mikrovaskulatur ist ein Paradebeispiel für ein sich anpassendes Transportnetzwerk. Wir wollen verstehen, wie Transport und Versorgung von Gewebe in einem Netzwerk zusammenhängen, das sich selbst verändern kann.“, sagt Forschungsgruppenleiterin Karen Alim. „Wenn wir neuronale Aktivitäten diagnostisch vermessen, nutzen wir dafür die sogenannte (funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI). Dabei messen wir aber nicht die neuronale Aktivität selbst, sondern eine Veränderung des Blutflusses. Aber wie man die tatsächliche neuronale Aktivität mit einer beobachteten Veränderung der Durchblutung in Verbindung bringt, ist eine offene Frage. Mit unserem Formalismus geben wir eine Handreichung dafür, wie aus dem Blutfluss auf die Zellversorgung in einem Gewebe geschlossen werden kann. Damit können wir verstehen, wie sich die Zellversorgung ändert, wenn sich der Blutfluss ändert. Dies ist von grundlegender Bedeutung, um letztlich die Frage zu beantworten, wie eine erhöhte neuronale Aktivität mit einer Veränderung der Durchblutung verbunden ist.“, sagt Felix Meigel.

Mit der vorliegenden Arbeit gewinnen die Grundlagenforscher ein besseres Verständnis dafür, wie sich unser Gehirn selbst zu jeder Zeit selbst organisiert. Die Erkenntnisse, die die MPIDS-Wissenschaftler hier gewonnen haben, helfen aber auch in ganz anderen Bereich weiter. „In Zukunft können wir beispielsweise Medikation besser verstehen oder auch wie künstliche Gewebe funktional designt werden sollte. Aber auch für die Verbesserung chemischer Reaktoren, die oft aus porösen Medien bestehen, ist unser Formalismus hilfreich.“, sagt Gruppenleiterin Alim.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Karen Alim, Felix Meigel

Originalpublikation:

Felix J. Meigel, Peter Cha, Michael P. Brenner, and Karen Alim, "Robust increase in supply by vessel dilation in globally coupled microvasculature", Physical Review Letters 123 (2019) 228103, DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.228103

Carolin Hoffrogge | Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation

Weitere Berichte zu: Blut Blutfluss Durchblutung Gewebe Kapillare Muskeln Nährstoffe Nährstoffversorgung Zellen

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Medizin Gesundheit:

nachricht Studie mit bispezifischem Antikörper liefert beeindruckende Behandlungserfolge bei Multiplem Myelom
01.04.2020 | Universitätsklinikum Würzburg

nachricht Pool-Testen von SARS-CoV-2 Proben erhöht die Testkapazität weltweit um ein Vielfaches
31.03.2020 | Goethe-Universität Frankfurt am Main

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: Den Regen für Hydrovoltaik nutzen

Wassertropfen, die auf Oberflächen fallen oder über sie gleiten, können Spuren elektrischer Ladung hinterlassen, so dass sich die Tropfen selbst aufladen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) in Mainz haben dieses Phänomen, das uns auch in unserem Alltag begleitet, nun detailliert untersucht. Sie entwickelten eine Methode zur Quantifizierung der Ladungserzeugung und entwickelten zusätzlich ein theoretisches Modell zum besseren Verständnis. Nach Ansicht der Wissenschaftler könnte der beobachtete Effekt eine Möglichkeit zur Energieerzeugung und ein wichtiger Baustein zum Verständnis der Reibungselektrizität sein.

Wassertropfen, die über nicht leitende Oberflächen gleiten, sind überall in unserem Leben zu finden: Vom Tropfen einer Kaffeemaschine über eine Dusche bis hin...

Im Focus: Harnessing the rain for hydrovoltaics

Drops of water falling on or sliding over surfaces may leave behind traces of electrical charge, causing the drops to charge themselves. Scientists at the Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) in Mainz have now begun a detailed investigation into this phenomenon that accompanies us in every-day life. They developed a method to quantify the charge generation and additionally created a theoretical model to aid understanding. According to the scientists, the observed effect could be a source of generated power and an important building block for understanding frictional electricity.

Water drops sliding over non-conducting surfaces can be found everywhere in our lives: From the dripping of a coffee machine, to a rinse in the shower, to an...

Im Focus: Quantenimaging: Unsichtbares sichtbar machen

Verschränkte Lichtteilchen lassen sich nutzen, um Bildgebungs- und Messverfahren zu verbessern. Ein Forscherteam am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena hat eine Quantenimaging-Lösung entwickelt, die in extremen Spektralbereichen und mit weniger Licht genaueste Einblicke in Gewebeproben ermöglichen kann.

Optische Analyseverfahren wie Mikroskopie und Spektroskopie sind in sichtbaren Wellenlängenbereichen schon äußerst effizient. Doch im Infrarot- oder...

Im Focus: Sensationsfund: Spuren eines Regenwaldes in der Westantarktis

90 Millionen Jahre alter Waldboden belegt unerwartet warmes Südpol-Klima in der Kreidezeit

Ein internationales Forscherteam unter Leitung von Geowissenschaftlern des Alfred-Wegener-Institutes, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI)...

Im Focus: A sensational discovery: Traces of rainforests in West Antarctica

90 million-year-old forest soil provides unexpected evidence for exceptionally warm climate near the South Pole in the Cretaceous

An international team of researchers led by geoscientists from the Alfred Wegener Institute, Helmholtz Centre for Polar and Marine Research (AWI) have now...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

13. »AKL – International Laser Technology Congress«: 4.–6. Mai 2022 in Aachen – Lasertechnik Live bereits früher!

02.04.2020 | Veranstaltungen

Europäischer Rheumatologenkongress EULAR 2020 wird zum Online-Kongress

30.03.2020 | Veranstaltungen

“4th Hybrid Materials and Structures 2020” findet web-basiert statt

26.03.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Den Regen für Hydrovoltaik nutzen

03.04.2020 | Energie und Elektrotechnik

Pflanzenbestimmung mit Flora Incognita App im März verzehnfacht

03.04.2020 | Informationstechnologie

Hightech für Natur

03.04.2020 | Interdisziplinäre Forschung

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics