Kombinierte Rasterkraft- und Konfokalmikroskopie zur Untersuchung von Struktur-Funktionsbeziehungen in Zellen und Gewebe auf der Mikro- und der Nanometer Skala

• Fachliche Zuordnung: Biophysik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 497855393

Mit Hilfe der beantragten Gerätekombination aus Rasterkraftmikroskop (AFM) und konfokalen Laser-Scanning-Mikroskop (CLSM) sollen insbesondere Untersuchungen über den Zusammenhang von Struktur und Biomechanik des Zytoskeletts und der extrazellulären Matrix (ECM) mittels AFM Abbildung, Indentationsmessungen (IT-AFM) und Konfokalmikroskopie durchgeführt werden. Im Fokus steht dabei der Einfluss der Biomechanik auf das Zellverhalten sowie auf die Strukturbildung, Morphogenese und Pathogenese von Gewebe. Dabei soll bei den IT-AFM Messungen auch bei großen Messbereichen (bis 100 x 100 µm2), die z. B. ganze Zellen oder relevante Geweberegionen enthalten, eine ausreichend hohe Dichte an Messpunkten erreicht werden, um eine molekulare Auflösung und damit eine eindeutige Zuordnung der Beiträge der unterschiedlichen Komponenten von Zytoskelett bzw. ECM zur Zell- bzw. Gewebemechanik zu ermöglichen. Zu diesem Zweck wird einerseits ein modernes AFM benötigt, das eine schnelle Aufnahme von großen „Force Volumes“ mit hoher räumlicher Auflösung ermöglicht. Zur Zuordnung der AFM Daten zu den molekularen Bausteinen des Zytoskeletts bzw. der ECM wird darüber hinaus ein modernes CLSM mit der Fähigkeit auch tiefere Ebenen (bis 1 mm), beispielsweise in Gewebeschnitten oder Gewebekonstrukten fluoreszenzmikroskopisch zu untersuchen, benötigt.Neben grundlegenden Fragestellungen der Mechanobiologie liegt ein Anwendungsschwerpunkt auf Veränderungen von Struktur und Biomechanik bei degenerativen Erkrankungen von Knorpel, z.B. bei Arthrose und der Knorpelregeneration mittels Tissue Engineering. Ein zweiter Schwerpunkt liegt auf der Rolle der ECM-Struktur und Biomechanik bei Proliferation, Migration und Metastasierung von Tumorzellen. Mit Hilfe dieser Untersuchungen soll einerseits ein Beitrag zu einem besseren Verständnis von Struktur-Funktions-Beziehungen in gesundem und pathologischem Gewebe erreicht werden, und gleichzeitig sollen Wege zu neuen Diagnose- und Therapieansätzen aufgezeigt und ggf. überprüft werden. Neben lebenden Zellen und nativem Gewebe sollen daher auch mit Hilfe von Tissue Engineering hergestellte Gewebeersatzmaterialien untersucht werden. Das soll zum einen unmittelbar nach der Herstellung mittels generativer Fertigungsverfahren geschehen, um so die Materialparameter der Konstrukte möglichst den Erfordernissen in nativem Gewebe anzupassen, sowie während und nach der Maturierung in speziell entwickelten Bioreaktoren. Neben der Biomechanik spielen bei der Degeneration und Regeneration von Gewebe sowie bei der Metastasierung von Tumorzellen auch die Zell-Zell- u. Zell-Matrix Interaktion und die Transduktion von mechanischen Signalen (Mechanotransduktion) eine entscheidende Rolle. Aus diesem Grund sollen neben hochauflösenden Indentations- und Fluoreszenzmessungen auch die Zell-Zell- und Zell-Matrix Interaktion mittels Einzelzell-Kraftspektroskopie mit einem zusätzlichen, speziell für Zelladhäsionsmessungen entwickelten AFM-Messkopf untersucht werden.

• DFG-Verfahren: Großgeräteinitiative
• Großgeräte: Konfokalmikroskop ; Rasterkraftmikroskop
• Gerätegruppe: 5090 Spezialmikroskope ; 5091 Rasterkraft-Mikroskope
• Antragstellende Institution: Hochschule für angewandte Wissenschaften München
• Leiter: Professor Dr. Hauke Clausen-Schaumann