Mechanobiologie von Stammzellen Der Physik der Zellen auf der Spur

Zellen sind keine starren Bausteine, sondern flexible und wandelbare Bio-Einheiten. Wie Stammzellen auf mechanische Kräfte und elektrische Signale reagieren, untersucht eine neue Forschungsgruppe der TU Dresden. Dabei sollen neue Therapiekonzepte der regenerativen Medizin entstehen.

Dresden – Zellen in lebenden Organismen werden von diversen Reizen beeinflusst, etwa von mechanischen Kräften, Materialeigenschaften, elektrischen Reizen und chemischen Signalen. Je nach Funktion und Umgebung der Zellen erfahren sie verschiedene Materialeigenschaften und mechanische Krafteinwirkungen in unterschiedlicher Stärke und Dynamik. „Die Fähigkeit der Zellen, auf der Grundlage lokaler physikalischer Signale zuverlässige Entscheidungen zu treffen, ist für die Entwicklung eines Organismus und die Aufrechterhaltung der Gesundheit von wesentlicher Bedeutung“, sagt Dr. Adele Doyle, Leiterin der Gruppe Mechanobiologie von Stammzellen an der TU Dresden. Mit Ansätzen aus den Ingenieurwissenschaften, der Biologie und der Informatik untersucht ihre Gruppe, wie Stammzellen während der Entwicklung des Nerven- und Herz-Kreislauf-Systems lernen, auf mechanische Kräfte und elektrische Signale zu reagieren, und wie biophysikalische Signale Gesundheit oder Krankheit beeinflussen.

„Im Krankheitsfall können sich die normalen physikalischen Reize verändern, oder die Zellen können die Fähigkeit verlieren, angemessen auf lokale physikalische Reize zu reagieren“, erklärt die Forscherin. „Bei Krebs beispielsweise führen Veränderungen in der Steifigkeit des Gewebes zu unerwünschter Zellwucherung und -bewegung. Die Art und Weise, wie Zellen die physikalischen Eigenschaften ihrer Umgebung wahrnehmen, wird als Mechano-Signaltransduktion bezeichnet, ein Prozess, der noch nicht sehr gut verstanden ist.“

Medikamentensicherheit

Der Mutterleib im Chip-Format

Zellentscheidungen modellieren

Um zu untersuchen, wie sich die Mechano-Signaltransduktion auf die erfolgreiche Embryonalentwicklung und die Homöostase, d. h. den Gleichgewichtszustand des Organismus auswirkt, entwerfen Doyle und ihre Forschungsgruppe experimentelle Methoden, mit denen sie präzisere und empfindlichere molekulare Messungen in lebenden Zellen vornehmen können. Zudem entwickeln sie neuartige computergestützte Werkzeuge zur Analyse experimenteller Daten, um zu modellieren, wie Zellen Entscheidungen treffen. Sie arbeiten auch mit Ingenieur- und Mikrofabrikationsgruppen zusammen, um zu untersuchen, wie kontrollierte physikalische Einwirkungen das Zellverhalten beeinflussen, etwa im Falle von traumatischen Hirnverletzungen.

Forschung für regenerative Medizin

„Unsere Forschung befindet sich an der Schnittstelle zwischen physikalischen Wissenschaften, wie Ingenieurwesen und Physik, Naturwissenschaften, wie Chemie und Biologie sowie Medizin und Computerwissenschaften. Wir kombinieren drei Hauptaspekte: die Technologieentwicklung, die Mechanobiologie von Stammzellen und deren Tochterzellen und die elektrogene Signalübertragung im Nerven- und Herz-Kreislauf-System“, beschreibt Doyle.

Das Team möchte herausfinden, wie physikalische Signale die zellinternen molekularen Schaltkreise verändert und folglich auch das Zellverhalten beeinflusst. Dabei nutzen sie die Expertise aus verschiedenen Fachrichtungen. „So initiieren wir beispielsweise Kooperationen, um die Anwendung von Werkzeugen aus der Physik und der Biologie zur Bewältigung ungelöster medizinischer Herausforderungen zu unterstützen, und nutzen Datenwissenschaft und -berechnung, um ein breites Spektrum an experimentellen Datensätzen zu integrieren und Erkenntnisse daraus zu gewinnen“, erklärt Doyle. Letztlich sei das Ziel, die aus der Grundlagenforschung gewonnenen Erkenntnisse in klinische Therapiekonzepte einfließen zu lassen. So sollen Zelltherapien und Therapien der regenerativen Medizin für Patienten mehr und mehr zur Standardversorgung für schwerkranke Patienten werden.

* B. Claus, Technische Universität Dresden, 01187 Dresden

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