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Zyklische Dehnung und Mechanosensorik

Eines der weniger bekannten, jedoch für die Ausbildung geordneter Zellstrukturen unentbehrlichen, mechanischen Signale ist die Dehnung, im Besonderen die zyklische Dehnung. Zu finden ist dieses Signal überall dort, wo Gewebe durch die pulsierende Blutbewegung, durch die gleichmäßige Atmung oder aber durch die Peristaltik des Darms regelmäßig verformt werden. Um der Dehnung möglichst vollständig auszuweichen, richten sich Zellen entgegengesetzt der Dehnungsrichtung aus. Obwohl nur eine relativ begrenzte Anzahl von Zelltypen im Organismus tatsächlich mit zyklischer Dehnung in Berührung kommt, scheinen der zelluläre Regulationsmechanismus sowie die nachfolgende Antwort auf dieses mechanische Signal in nahezu allen Zellen vorhanden und aktivierbar zu sein. Zur Analyse der zellulären Antwort auf zyklische Dehnung haben wir Streckapparaturen entwickelt, mit deren Hilfe Elastomersubstrate mit darauf adhärierten Zellen in der Zellkultur unter genau kalibrierten Bedingungen zyklisch gedehnt werden.

Stretcher und Zellausrichtung

In enger Zusammenarbeit mit den mechanischen und elektronischen Werkstätten entwickeln wir verschiedenste für die Wissenschaft notwendige Geräte. Oben dargestellt ist ein uniaxiales Zugsystem, mit dessen Hilfe elastomere Zellkulturkammern einer zyklischen Dehnung ausgesetzt werden können, um mechanische Bedingungen in arteriellen Geweben zu simulieren. Als Resultat dieser Dehnung (14% für 16 Stunden) richten sich Zellen in einem spezifischen Winkel zur Zugrichtung (horizontal) aus (rechtes Bild, Fibroblasten mit markiertem Aktin).

Unser wissenschaftliches Augenmerk liegt im Besonderen in der Analyse, inwieweit Zellen auf unterschiedliche Geschwindigkeiten und Amplituden reagieren und wie zelluläre Strukturen wie Zytoskelett und Adhäsionskomplexe sich reorientieren und so der zyklischen Dehnung anpassen. Desweiteren beschäftigen wir uns mit der Frage, welche Voraussetzungen gegeben sein müssen, damit eine Zelle auf zyklische Dehnung reagiert und warum im menschlichen Organismus sich nicht alle Zellen bei Dehnung des Gewebes direkt umorientieren.
Jeder zellulären Antwort auf mechanische Reize muss eine Erkennung derselben vorangehen. Trotz der offensichtlichen Häufigkeit und Wichtigkeit dieser Mechanosensorik ist über mechanosensitive Moleküle und nachgeschaltete Signalwege nur sehr wenig bekannt. Diskutiert werden beispielsweise mechanosensitive Ionenkanäle oder durch mechanische Dehnung auffaltbare Moleküle, die dadurch zuvor verborgene Bindungssequenzen präsentieren. Da die zelluläre Antwort auf zyklische Dehnung sehr starke zelluläre Reaktionen hervorruft und diese bereits nach wenigen Minuten bis einigen Stunden auf verschiedenen Ebenen gut sichtbar sind, eignet sich die von uns entwickelte zyklische Streckapparatur ideal zur Analyse möglicher mechanosensitiven Moleküle und nachgeschalteter Signalwege. Hierzu werden moderne Molekular- und zellbiologische Verfahren, wie „siRNA knockdowns“, quantitative RT-PCR Analysen oder aber semiquantitative Lebendzell-Fluoreszenzmikroskopie routinemäßig eingesetzt. Diese Analysen erlauben es uns erstmalig einen Einblick in die hochkomplexen Regulationssysteme der mechanischen Signalerkennung und Weiterleitung zu bekommen und diesen kontinuierlich zu vertiefen.
Ansprechpartner: Dr. Bernd Hoffmann


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