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Zellkraft

Zellkräfte werden von jeder tierischen Zelle erzeugt und an die Umgebung weitergegeben. Sie dienen ganz unterschiedlichen zellulären Funktionen, im Speziellen der Adhäsion, um Morphologien zu erzeugen, die nicht der Kugel entsprechen (keine adhärente Zelle im Körper ist rund), der Fortbewegung von Zellen, beispielsweise während der Embryogenese oder der Wundheilung sowie der gezielten Kontraktion muskulärer Strukturen. Entsprechend dieser unterschiedlichen Funktionen, für die Zellkräfte erzeugt werden, unterscheiden sich sowohl die krafterzeugenden Zellkomplexe innerhalb der Zelle als auch die Stärke der Kräfte selbst. Ziel dieses Forschungsschwerpunktes ist es im Detail zu verstehen, wie Zellkräfte erzeugt und auf die Umgebung übertragen werden, wie hoch Kräfte verschiedener Zelltypen sind und wie diese in ihrer Stärke reguliert und schließlich über welche spezifischen Adhäsionsstrukturen (siehe Zelladhäsion) Kräfte weitergeleitet werden. Jede dieser Fragestellungen führt für nahezu jeden einzelnen Zelltyp zu hochspezifischen Antworten.

Kraftanalyse und Deformationsfeld

Zellkräfte tierischer Zellen (im Bild eine adhärierte, mit GFP-α-actinin transfizierte Herzmuskelzelle) führen auf elastischen Substraten zur Deformation derselben. Durch Mikrostrukturierung der Substrate mit fluoreszierenden Kugeln können diese Deformationen gemessen und nachfolgend in Zellkräfte zurückgerechnet werden. Das Deformationsfeld ist links vektoriell (grün) und rechts in Falschfarben dargestellt. Errechnete Kräfte pro Fokaladhäsion sind durch rote Kraftvektoren angegeben. Das generalisierte erste Moment, als Mass für die Summe aller kontrahierenden Kräfte, ist im linken Bild in blau dargestellt.


Zur Analyse zellulärer Kräfte haben wir Elastomersysteme auf Basis verschiedenster Silikongummis entwickelt, die es erlauben, Kräfte lebender Zellen zeitlich und lokal hochaufgelöst sichtbar zu machen. Dazu werden zusätzlich Mikrostrukturen in die Oberflächen der transparenten Elastomersubstrate eingebracht. Zellkräfte adhärenter Zellen deformieren die Substrate. Durch nachfolgende Analyse der Verschiebungen der eingebetteten Mikrostrukturen können über Bildverarbeitungsroutinen und Algorithmen zur Zellkraftbestimmung die Kräfte einzelner Zellen bestimmt werden. In Abhängigkeit der Mikrostrukturdichte, können Kraftfelder bis deutlich unter 1 µm aufgelöst werden. Dieses ermöglicht die Bestimmung zellulärer Kräfte auf der Ebene einzelner Adhäsionsstrukturen.
Da Zellkräfte für eine Vielzahl zellulärer Funktionen eine zwingende Grundvoraussetzung darstellen und bisher aufgrund fehlender Analysemöglichkeiten kaum untersucht sind, ermöglicht die Analyse derselben einen faszinierenden Einblick in das Zusammenspiel zellulärer Mechanik und Zellfunktion.


Ansprechpartner: Dr. Bernd Hoffmann, Prof. Dr. Merkel


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