Elektromechanische Wellenformationen in mechanosensitiven Herzgeweben durch datenintegrative Modellierung.

• Antragstellerin: Professorin Dr. Ingrid Weiss, seit 10/2024
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Bioinformatik und Theoretische Biologie ; Biophysik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 442207423

Das Herzgewebe ist anfällig für krankhafte, lebensbedrohliche Wellenformationen unter gestörten mechanischen Bedingungen. Es ist allgemein bekannt, dass einzelne adhäsive Fibroblastenzellen mechanosensitiv sind. Das Herzgewebe besteht jedoch aus zwei Zelltypen, dem Gerüst, das Fibroblasten bildet, und den kontraktilen Kardiomyozyten, die zusammen ein komplexes mechano- elektrophysiologisch erregbares System bilden. Die Zell- und Gewebemechanik spielt eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung stabiler Wellenmusterformationen. Eine besonders schlecht verstandene Wellenbildung ist Alternans, eine raumzeitliche Signalinstabilität mit Wellen- und Geschwindigkeitsänderungen, die auch räumlich durch die sogenannten Knotenlinien getrennt werden kann. In diesem Projekt wird die Signal- und Gewebemorphologiebeziehung bei der Entwicklung von mechanosensitivem Herzgewebe mittels einer datenintegrativen Modellierung untersucht. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Alternans und der Dynamik der Knotenlinien. Wir verwenden ein spezifisch angepasstes makroskopisch-optisches Mikroskopsystem zur Live-Bildgebung elektrophysiologischer Wellen. Mechanisch definierte extrazelluläre Umgebungen werden durch steifigkeitsänderbaren Substraten basierend auf supramolekularen Substrate von variabler Steifigkeit auf Basis makromolekularer Host-Gast-Hydrogele imitiert. Laserbasierte Zellsortierungstechniken werden eingesetzt, um den Anteil der Fibroblasten in konfluenten in vitro Herzgewebe-Monoschichten zu kontrollieren. Ein mechano-sensitives mathematisches Modell zur Musterbildung in Herzgewebe wird zunächst durch die experimentellen Daten (Signal- und Gewebemorphologie) implementiert und parametrisiert und dann angewendet, um anhand der ermittelten Kriterien die Mechanismen der Initiation, Stabilität und Dynamik von Alternans und Knotenlinien zu bestimmen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Marcel Hörning, bis 9/2024