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Zellreifung und Differenzierung

Lebende Zellen sind in definierten Umgebungen eingebettet, die eine spezifische Topographie, Elastizität und Grundspannung aufweisen. So unterscheiden sich beispielsweise Elastizitäten von Drüsengewebe (sehr weich) und Knorpelgewebe (hart) deutlich voneinander; Nervenzellen sind typscherweise keiner Dehnung ausgesetzt, während Arterien-auskleidende Endothelzellen durch den Herzschlag um bis zu 20% gedehnt werden. Derart unterschiedliche mechanische Bedingungen werden vermutlich von allen adhärenten Zellen über mechanosensorische Mechanismen erkannt und in spezifische zelluläre Antworten umgewandelt. Diese beinhalten neben kurzfristigen Anpassungen auch hochkomplexe Mechanismen, wie Zellreifung und Zelldifferenzierung. In viel beachteten Publikationen wurde beispielsweise gezeigt, dass Stammzellen allein durch die Elastizität des für die Adhäsion zur Verfügung stehenden Substrates in neurogene (Nerven), myogene (Muskel) sowie osteogene (Knorpel/Knochen) Vorläuferzellen differenziert werden konnten (Engler et al. 2006, Cell). Neben einem Teilaspekt auf Basis adulter mesenchymaler Stammzellen (MSC) konzentrieren wir uns auf die Rolle mechanischer Signale, insbesondere Substratelastizität, bei der Reifung/Differenzierung muskulärer Zellsysteme sowie der Differenzierung kardialer Fibroblasten hin zu Myofibroblasten. Derartige Untersuchungen erlauben es auf Zellkulturebene naturnahe Bedingungen nachzuahmen und so beispielsweise mechano-funktionelle Veränderungen von Herzmuskelzellen (Myozyten) sowie kardialer Fibroblasten, wie sie natürlicherweise während des Alterns bzw. nach Krankheiten (Herzinfarkt) erfolgen, außerhalb des Körpers zu analysieren.

DifferenzierungKardiale Fibroblasten (links) differenzieren in Abhängigkeit der Substratelastizität (1kPa bis 130 kPa) zu Myofibroblasten (rechts). Hierbei werden sowohl das Aktin-Zytoskelett (grün) als auch die Adhäsionsstrukturen (rot) intensiv umgebaut. Dieses führt zu einer stark veränderten mechanischen Funktionsweise der differenzierten Zellen.

Als Grundlage naturnaher Zellkulturbedingen dienen Elastomersysteme auf Silikonbasis mit deren Hilfe die artifiziellen Kulturbedingungen klassischer Zellschalen (diese sind ungefähr 1.000.000x härter als tierische Gewebe!) umgangen werden können.

Ansprechpartner: Dr. Bernd Hoffmann


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