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Formgebung in biologischen Systemen

Wie Zellen die Knochen gestalten

| Autor / Redakteur: Katja Schulze* / Christian Lüttmann

Das 3D-Bild zeigt faserige Zellen, die sich in einer bestimmten Richtung um die Kapillarbrücke drehen.
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Das 3D-Bild zeigt faserige Zellen, die sich in einer bestimmten Richtung um die Kapillarbrücke drehen. (Bild: Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung/Sebastian Ehrig)

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Knochen wie Honig? Nicht ganz. Tatsächlich haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam aber gezeigt, dass sich wachsendes Knochengewebe auf langen Zeitskalen wie eine viskose Flüssigkeit verhält: Die Knochen streben so Formen mit minimaler Oberfläche an. Dies könnte ein Schlüsselprinzip für die Entstehung von Formen in biologischen Systemen sein.

Potsdam – Eine besondere Stärke und gleichzeitig faszinierende Eigenschaft lebender Systeme ist ihre Anpassungsfähigkeit an sich verändernde Umweltbedingungen. Diese Fähigkeit besitzt auch der menschliche Knochen. Denn dieser ist in ständigem Wandel. Ohne dass wir es merken, findet im Körper laufend der Auf- und Abbau kleiner Knochenpakete statt. Dieser Umbauprozess wird nach mechanischen Prinzipien über einen Regelkreis kontrolliert. Dadurch besitzt Knochenmaterial die Fähigkeit, sich ändernden mechanischen Anforderungen anzupassen. Als Reaktion auf veränderte mechanische Belastungen, etwa durch regelmäßigen Sport, ändert der Knochen seine Struktur und passt seine innere Form an.

Unter welchen Bedingungen sich Knochengewebe bestmöglich züchten lässt, hat ein Team am Potsdamer Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung untersucht. An der Studie waren zudem Forscher der Berliner Charité, aus Würzburg, aus Dresden und von der Montanuniversität Leoben beteiligt.

Formbildung von Zellen

Biologische Strukturen werden von Zellen erzeugt, die viel kleiner sind als die entstehende Form. Die Zellen sind sogar dazu in der Lage, die Krümmung einer Oberfläche zu ertasten, die viel größer ist als sie selbst. Doch wie gelingt es den Zellen, komplexe makroskopische Formen zu erzeugen oder bei der Knochenheilung die ursprüngliche Form wiederherzustellen? „Eine partielle Antwort auf diese Frage könnte die Erkenntnis aus dieser Arbeit sein, dass Zellen Oberflächenenergie für die Formbildung nutzen, auf ähnliche Weise wie komplexe Gebilde aufgrund der Oberflächenenergie aus Seifenblasen entstehen können.“ sagt Peter Fratzl, Direktor am Potsdamer Max-Planck-Institut und Koautor der Studie.

Baugerüst gibt Zellwachstum vor

Die Forscher untersuchten in ihrer Studie, wie Gewebe auf gekrümmten Oberflächen wächst. Dabei stellten sie fest, dass sich Formen mit Außengrenzen konstanter mittlerer Krümmung entwickelten. Diese ähneln sehr stark Formen von Flüssigkeitstropfen, die eine minimale Oberfläche annehmen.

links: Beispielgeometrie des Substrates mit den minimalen und maximalen Krümmungen; rechts: 3D Bild von Actin-Fasern auf dem Substrat.
links: Beispielgeometrie des Substrates mit den minimalen und maximalen Krümmungen; rechts: 3D Bild von Actin-Fasern auf dem Substrat. (Bild: Sci. Adv., 11 Sep 2019: Vol. 5, no. 9, DOI: 10.1126/sciadv.aav9394)

Als Substrate für das Zell- und Gewebewachstum dienten gekrümmte Oberflächen aus Kunststoff. Dabei verwendeten die Wissenschaftler ein flüssiges Polymer, das sich bei hohen Temperaturen verfestigt. Sie stellten damit Substrate mit unterschiedlichen Geometrien her, auf denen die Zellen wachsen und neues Gewebe bilden konnten. Die Menge des gebildeten Gewebes hing dabei von der Form des Substrats ab. Dabei fiel auf, dass auf stark konkaven Oberflächen mehr Gewebe gebildet wurde, was den Forschern zufolge auf einen mechanisch induzierten biologischen Rückkopplungsmechanismus hinweist. Letztlich füllen die Zellen somit „Dellen“ im Substrat schneller auf.

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In einem weiterführenden Experiment hemmten die Wissenschaftler die Fähigkeit der Zellen, sich zusammenzuziehen. Damit wiesen sie nach, dass aktive Zellkräfte notwendig sind, um ausreichende Oberflächenspannungen für das flüssigkeitsähnliche Verhalten und das Wachstum des Gewebes zu erzeugen. „Dies legt nahe, dass die mechanische Signalübertragung zwischen Zellen und ihrer physischen Umgebung ein Schlüsselprinzip für die Entstehung der Gewebeform ist, zusammen mit der kontinuierlichen Reorganisation von Zellen und Matrix,“ unterstreicht Sebastian Ehrig, Erstautor und ehemaliger Doktorand am MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung, der jetzt am Max-Delbrück Center in Berlin forscht.

Strukturen der Knochenbildung auf der Spur

Weitere Einblicke in die räumliche Gewebestruktur gewannen die Wissenschaftler mithilfe der Lichtblattmikroskopie. Dabei machten sie eine bemerkenswerte Entdeckung: Die Zellen ordneten sich zu ausgedehnten chiralen Strukturen an, die sich spiralförmig um die Kapillarbrücken schlängelten. Ähnliche Strukturen findet man auch in Osteonen, den kleinsten Funktionseinheiten des Knochens. Ein Osteon entsteht, indem sich knochenbildende Zellen (Osteoblasten) konzentrisch in 4 bis 20 Schichten um ein Blutgefäß lagern, einmauern und zu Lamellenknochen verhärten.

Die Ergebnisse der Forscher legen nahe, dass flüssigkeitsähnliches Gewebeverhalten ein Schlüsselprinzip für die Entstehung von Formen in biologischen Systemen ist. Dies könnte weitreichende Konsequenzen haben im Hinblick auf das Verständnis von Heilungsprozessen und der Organentwicklung. Und auch für medizinische Anwendungen wie die Entwicklung von Implantaten könnten die Ergebnisse relevant sein.

Originalpublikation: S. Ehrig, B. Schamberger, C. M. Bidan, A. West, C. Jacobi, K. Lam, P. Kollmannsberger, A. Petersen, P. Tomancak, K. Kommareddy, F. D. Fischer, P. Fratzl, John W. C. Dunlop: Surface tension determines tissue shape and growth kinetics, Science Advances 11 Sep 2019: Vol. 5, no. 9, eaav9394; DOI: 10.1126/sciadv.aav9394

* K. Schulze, Max-Planck-Institut für Kolloid- u. Grenzflächenforsch., 14476 Potsdam

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