Von der Physik des Übergangs zwischen den embryonalen Zellphänotypen zur Entwicklung von Knorpelgewebe

• Antragsteller: Professor Dr. Christoph Weber
• Fachliche Zuordnung: Biophysik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 299244239

Gewebe hat vielfältige Aufgaben.Es ist verantwortlich für die Funktion von Organen, erlaubt Gewichte zu heben, verarbeitet und leitet elektrische Signale, und verleiht dem Körper und den Organen ihre Form. Letztere Funktion wird durch das Binde- und Stützgewebe ausgeführt, wozu unter anderem das Knorpelgewebe gehört. In einem ausgewachsenen Menschen ist es von zentraler Bedeutung die genannten Gewebearten instand zu halten. Im Gegensatz dazu mussten in einem Embryo sich diese jedoch erst einmal entwickeln, um dann ihrer Bestimmung im ausgewachsenen Organismus nachzugehen. Im Embryo kommt hierfür ein spezieller Zelltypus zum Einsatz, die mesenchymale Zelle. Gemeinsam mit Epithelzellen stellen sie die häufigste Zellart in einem Embryo dar und können sich reversibel in Epithelzellen umwandeln sowie zu anderen Zellphänotypen, wie zum Beispiel Knorpelzellen, differenzieren. Die physikalischen Mechanismen, die diesen Zellübergängen, sowie der Formation von Knorpelgewebe aus einer Mischung von epithelialen und mesenchymalen Zellen zugrunde liegen, sind weitestgehend unerforscht. Zudem fokussiert sich die existierende Forschung meist auf die chemischen Signalkaskaden und vernachlässigt dabei oft die Bedeutung der mechanischen Eigenschaften des Gewebes.Neuste experimentelle Erkenntnisse deuten jedoch darauf hin, dass mechanische Interaktionen zwischen den Zellen, sowie Veränderungen ihrer mechanischen Eigenschaften bei den Zellübergängen und der Entstehung von Knorpelgewebe, entscheidend sind. Aus diesem Grund möchte ich eine theoretische Beschreibung für diese Zellübergänge entwickeln und die Verbindung herstellen, wie Knorpelgewebe aus einem Gemisch von epithelialen und mesenchymalen Zellen entsteht. Hierbei steht die Entwicklung entsprechender Simulationsmethoden sowie das Konstruieren von hydrodynamischen Gleichungssystemen im Vordergrund dieses Antrags. Beide theoretische Ansätze sollen die chemischen sowie mechanischen Eigenschaften des sich entwickelnden Gewebes enthalten und erlauben die mechanischen Eigenschaften des Gewebes, dessen Zusammensetzung und Ordnung vorherzusagen. Entscheidend hierbei ist, dass die theoretischen Methoden und Gleichungen in enger Kollaboration mit Experimenten entstehen und verifiziert werden. Eine ausgereifte theoretische Beschreibung, begleitet von geeigneten Experimenten, könnte den Schlüssel darstellen, um die embryonale Entstehung von Binde- und Stützgewebe besser zu verstehen, und im speziellen, die chemische Einflüsse von den mechanischen Beiträgen in der Embryogenese zu unterscheiden. Ausserdem könnte ein besseres Verständnis der Physik, wie sich epitheliale und mesenchymale Zellen ineinander umwandeln, den Ausgangspunkt bilden um komplexe künstliche Gewebearten zu erzeugen.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Louis Mahadevan