Phasenfeldmodelle für biologische Zellen in Strömung

• Antragsteller: Professor Dr. Sebastian Aland
• Fachliche Zuordnung: Mathematik
• Förderung: Förderung seit 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 328170591

Neueste Techniken zur medizinischen Diagnostik benutzen Strömungsvorgänge, um Eigenschaften biologischer Zellen in Hochgeschwindigkeit zu messen. Die Interpretation der dabei gesammelten Daten erfordert neue numerische Verfahren, welche die komplexe Interaktion von biologischen Zellen mit einem umgebenen Fluid möglichst realistisch simulieren können. Unter den auftretenden Zeit- und Geschwindigkeitsskalen wird die Verformung von Zellen durch mehrere mechanischen Komponenten bestimmt. Die gleichzeitige Berücksichtigung von Oberflächenspannung, Kompressionselastizität der Zelloberfläche, sowie Viskoelastizität des Zellinneren, erfordert neue mathematische Modelle zur effizienten Beschreibung von Zellen in Strömung.In diesem Projekt soll ein Phasenfeldmodell entwickelt werden, dass die Vorteile von Interface-Capturing Methoden mit den elastischen Beiträgen der Zellkomponenten verbindet und das Zusammenspiel von Zellen und Strömung beschreiben kann. In der ersten Förderperiode wurde solch ein Modell entwickelt. Darin wird das Zellinnere durch Viskoelastizität und die Zelloberfläche durch Oberflächenspannung und Biegesteifigkeit beschrieben. Die einzige fehlende Komponente für eine fundierte Beschreibung biologischer Zellen ist die starke tangentiale Elastizität der Zelloberfläche, wie sie durch den Aktinkortex ausgeübt wird. In der zweiten Förderperiode soll nun das erste Phasenfeldmodell entstehen, was auch diese Elastizität beinhaltet. Für dieses Modell werden effiziente numerische Algorithmen und stabile Zeitdiskretisierungen entwickelt. In Zusammenarbeit mit experimentellen Partnern wird die Anwendung auf eine revolutionäre neue Technik zur Messung von Zell-Elastizität, genannt Real-Time-Deformability-Cytometry (RTDC), betrachtet. Bei dieser Technik werden bis zu 1000 Zellen pro Sekunde in einer Flüssigkeit gelöst durch einen schmalen Kanal geschossen. Kamerabilder der Zellen im Kanal liefern Vergleichsdaten, die zur Validierung des entwickelten numerischen Modells benutzt werden können. In der ersten Förderperiode haben wir die ersten numerischen Ergebnisse zu RTDC präsentiert, welche mittlerweile weltweit in RTDC Geräten benutzt werden. Durch Abgleich mit experimentellen Daten konnten erste Erkenntnisse über die strukturmechanischen Eigenschaften von Zellen auf kurzen Zeitskalen gewonnen werden. Darunter auch die Einsicht, dass der Aktinkortex für viele Zelltypen das dominante mechanische Element in RTDC Messungen ist. Der Einbau dieses Elements in Phasenfeldmodelle wird somit signifikante neue Einsichten in die Zellmechanik und einen direkten Beitrag zur medizinischen Diagnostik via RTDC liefern.Da das entwickelte Modell die Zelloberfläche nicht durch ein Gitter beschreibt, kann auch Verflüssigung elastischer Oberflächen oder Kontakt mehrerer Oberflächen beschrieben werden. In Kooperation mit Partnern aus Biologie und Physik werden dadurch Fragestellungen zu neuartigen Mikroschwimmern und zur aktiven Gel-Theorie beantwortet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen