Mechanismen gestörten Muskel Ca2+-Signalings und ultrastruktureller Veränderungen bei hohen hydrostatischen Drücken unter Verwendung einer neuartigen Hochdruck-Multiphotonen-Mikroskopie

• Antragsteller: Professor Dr. Oliver Friedrich
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Medizinische Physik, Biomedizinische Technik ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 255191772

Hohe hydrostatische Drücke (HHD) beeinflussen quasi alle biologischen Prozesse. Anhaltende HHD Expositionen von Organismen sind eher die Regel als die Ausnahme für den Großteil unserer Biosphäre. Um den Einfluss von HHD auf lebende Zellen oder ganze Organismen zu verstehen, ist es notwendig, sowohl kontrollierte Druckexpositions-Bedingungen zu etablieren als auch die technischen Voraussetzungen zu schaffen, die druckbedingten Veränderungen direkt visualisieren zu können. Der erste Aspekt ist bereits technisch anspruchsvoll, da das Experiment gegen die äußere Atmosphäre abgedichtet werden muss und Druckgradienten von bis zu mehreren hundert MPa standhalten muss. Der zweite Aspekt erfordert dieVerflechtung von HHD-Bedingungen mit optischen Technologien; für die Biophysik von Zellen und Geweben in Form von Mikroskopie-Techniken. Obwohl Life Cell Mikroskopie weit entwickelt worden ist, sind Anwendungenim Zusammenhang mit HHD sehr selten umgesetzt worden. Aus solchen HD-Mikroskopie Studien können molekulare Reaktionsvolumina observabler Prozesse in Zellen als direkte Folge der Hochdruck-Einwirkung abgeleitet werden, was mit keiner anderen biophysikalischen Technologie direkt möglich ist. Unser Ziel ist es, Mikroskopie und Ingenieurs-Expertise zu kombinieren und eine neuartige Hochdruck-Mikroskopie-Kammer zuentwickeln, die für Multiphotonen-Mikroskopie lebender Zellen unter hohen Drücken geeignet ist. Die Kammer soll Drücken bis 400 MPa standhalten können, einem für Eukaryonten und Prokaryonten weitreichenden Druckbereich interessanter Druck-Gewebe/Zell-Wechselwirkungen. Hierzu werden wir einen neuen Technologie-Weg gehen und anstatt konventioneller externer Linsen und Glasfenster die Optik in Form von Gradienten-Index-Linsen direkt in die Hochdruck-Kammer integrieren. Das Kammer-System wird nach Kalibrierungen von Fluoreszenz-Farbstoffen und Puffern dann eingesetzt werden, um (i) Ca2+ Transienten in feldstimulierten Säugermuskelzellen sowie (ii) Ruhe-Ca2+ Konzentrationen in Muskelzellen unter verschiedenen Druckprofilen von Atmosphären- bis Tiefsee-Drücken und "Druck x Expositionszeit" Produkten zu erheben. Hieraus können erstmalig neue biophysikalische Einsichten in Druck-induzierte Veränderungen der Erregungs-gekoppelten Ca2+ Homöostase in einem erregbaren Organ gewonnen werden. Ferner werden wir über Second Harmonic Generation Mikroskopie von Myosin unter hohen Drücken Druckschwellen und Dynamiken für eine Druck-induzierte Desintegration der Sarkomer-Zytoarchitektur online erheben können. Über unseren neuartigen Ansatz können wir differenzierte Aussagen über Mechanismen Druck-induzierter Schädigungen am Skelettmuskel machen, über die prinzipielle Druckexpositionslimits für Säugermuskel möglich sind. Die dabei etablierte neue Hochdruck-Mikroskopie-Technik wird neue Horizonte für biophysikalische Studien an verschiedensten Zell-/Organ-Typen in Organismen unterschiedlichster Komplexität unter HHD eröffnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Australien, Großbritannien
• Beteiligte Personen: Professorin Dr. Rosalind Allen; Professor Dr. Boris Martinac, Ph.D.