Biologie: Zellen in weicher Umgebung

Um das Große und Ganze der Biologie zu verstehen, ist es nötig, sich auch die Mosaiksteinchen anzusehen. Das zweifellos wichtigste Steinchen ist die lebende Zelle. In Geweben und Organen gibt es mehr als 200 verschiedene Zelltypen. Die etwa zehn Billionen Einzelzellen des menschlichen Körpers harmonieren und greifen ineinander. Sie beeinflussen sich gegenseitig und tauschen über die vielen Membrankanäle und Transmembranproteine ständig Informationen und Materie aus.

Härte hilft lernen

Einzelne Zellen zu betrachten und zu analysieren, wird immer wichtiger. Nur so kann man das Zusammenspiel zwischen der in ihnen enthaltenen genetischen Information und den ablaufenden biochemischen Prozessen genau verfolgen. Es scheint ein wenig wie in der Verhaltensforschung: Reize ich eine einzelne, von den Nachbarn unbeeinflusste Zelle auf eine Weise, kann ich darauf hoffen, eine reproduzierbare Reaktion zu beobachten.

Eine Einzelzelle muss dafür allerdings aus ihrem Zellverband und ihrer extrazellulären Matrix herausgelöst werden und in eine entsprechend fremde Umgebung, zum Beispiel auf einen Biochip, gebracht werden. Doch auf einer harten Oberfläche verhält sie sich anders als in ihrer gewohnten, weicheren Umgebung. Denn die extrazelluläre Matrix (EZM) gibt Geweben mechanische Stabilität und dient als Substrat für die Zelladhäsion, Zellwanderung und Zelldifferenzierung. Die Zellen binden mit speziellen Oberflächenrezeptoren an bestimmte EZM-Liganden, wodurch spezifische Signaltransduktionswege innerhalb der Zellen aktiviert werden können. Knochen- oder Bindegewebszellen beispielsweise remodulieren ihre Matrix als Antwort auf mechanische Reize.

Besonders interessant ist nun die Frage, wie sich die Zelle in einer fremden Umgebung zurechtfindet und welche Adhäsionsmatrix möglichst naturnah ist; oder anders herum: In welcher künstlichen Umgebung kann sich die Zelle so benehmen wie zuhause? Klar ist, dass es eine weiche Umgebung sein muss. Diese an sich banale Erkenntnis ist z. B. sehr wichtig für die Entwicklung von Knochenimplantaten oder von künstlichen Geweben, um die Abstoßungsgefahr zu reduzieren. Denn die an ihrer Umgebung haftenden Zellen nehmen über Hunderte von Kontaktpunkten ständig Informationen über diese Anhaftung auf. Gleichzeitig versuchen sie, diese Umgebung an sich zu ziehen. Die dabei aufgebauten Kräfte setzen die Zellen in biochemische Signale und damit in ein Verhalten um, mit dem sie auf eintretende Veränderungen reagieren können.

Es wird nun versucht, die Regulation dieser biologischen Prozesse auf physikalische Prinzipien zurückzuführen. Ulrich Schwarz, Leiter der Emmy-Nöther-Nachwuchsgruppe am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Golm, war es in Zusammenarbeit mit Forschern des Weizmann-Instituts in Israel gelungen nachzuweisen, dass die Wechselwirkung zwischen den elastischen Eigenschaften der Umgebung und den biochemischen Entscheidungsprozessen der beteiligten Zelle über Fokalkontakte vermittelt wird.

Fokalkontakte sind große Proteinaggregate an der Zellmembran, die das innere Proteinskelett der Zelle mit der extrazellulären Umgebung verbinden. Sie sind umso größer, je stärker die dort von der Zelle auf ihre Umgebung ausgeübte Kraft wächst. Auch von außen auf die Zelle ausgeübte Kräfte können die Fokalkontakte vergrößern. Die Fokalkontakte funktionieren somit als Mechanosensoren, die physikalische Kräfte in Proteinaggregationen und somit in biochemische Vorgänge innerhalb der Zelle übersetzen.

Zellen informieren sich

Die Erkenntnisse der letzten Jahre offenbarten, dass Zellen sich über die elastischen Eigenschaften ihrer unmittelbaren Umgebung informieren können und auf Änderungen sensibel reagieren. Zu den physiologischen Vorgängen, die stark von den elastischen Eigenschaften der Umgebung abhängen, gehören beispielsweise die Aufrechterhaltung des Bindegewebes, die Heilungsprozesse von Wunden und die Bewegung von Krebszellen.

Ulrich Schwarz und seine Mitarbeiterin Ilka Bischof entwickelten ein Modell, das das Verhalten von Zellen in weicher Materie vorhersagen können soll. Das Modell beruht dabei auf zwei experimentell bestätigten Annahmen: 1. Zellen bevorzugen eine weiche Umgebung für ein normales Verhalten. 2. In einer weichen Umgebung orientieren sich Zellen in Richtung einer höheren Steifigkeit. Sie suchen Halt.

Das Zellverhalten in bestimmten Situationen lässt sich aufgrund der Steifigkeitseigenschaften der Umgebung vorhersagen. Einzelne Zellen in weicher Umgebung ordnen sich demnach an einer nicht deformierbaren Oberfläche senkrecht zu dieser an. Stellt sich diese Oberfläche aber als frei deformierbar heraus, richten sich die einzelnen Zellen parallel zu dieser Grenzfläche aus, da eine senkrechte Orientierung als weicher erscheinen würde (s. Abbildung).

Zellen werden gedehnt

Die modellhaften Voraussagen zu Zellorientierung und -positionierung stimmen mit vielen experimentellen Beobachtungen überein. Die Erkenntnisse daraus lassen sich nun auf eine einheitliche Basis stellen und werden erklärbar. Das Modell muss in Einzelheiten noch verifiziert werden. Dennoch ist bereits deutlich geworden, dass es zum Beispiel das Verhalten der Zellen in künstlichen Geweben und in der Nähe von Implantaten genauer vorhersagen kann. Implantate sollten deshalb eine für die Zellen angenehm weiche Oberfläche besitzen.

Einen interessanten Ansatz verfolgt der Biophysiker Josef Käs von der Universität Leipzig. Er untersucht das Zytoskelett, das hochdynamische Polymernetzwerk im Inneren der Zelle. Besonders interessiert ihn die Elastizität des Netzwerks. Sie liefert ihm Erkenntnisse über die Funktionsweise und den Zustand der Zelle. Seine Gruppe hat einen optischen Zelldehner entwickelt, bei dem zwei Laserstrahlen die Zelle auseinanderziehen und dabei deren Elastizität messen. Da beispielsweise bei fortschreitendem Krebs das Zytoskelett kleiner wird, gibt der Zustand der Elastizität Auskunft über das Krebsstadium. Beim Brustkrebs konnten Käs und Mitarbeiter mit dieser Methode