Der Einfluss der Eigenschaften von Feinstaub auf die biophysikalischen Mechanismen beim Eintritt in Lungenzellen

• Antragsteller: Professor Dr. Alexander Rohrbach
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Pneumologie,Thoraxchirurgie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 448780159

Die Verschmutzung der Umgebungsluft mit Feinstaub, mikroskopischen schwebenden Partikeln, ist ein zunehmendes Problem, das für Millionen von Menschen ein ernstes Gesundheitsrisiko darstellt. Eine erhöhte Feinstaubbelastung vergrößert das Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Lungenkrankheiten und Krebs signifikant. Feinste bis ultrafeine Partikel mit Durchmessern < 1µm können in Lungenzellen eindringen und Entzündungsreaktionen auslösen. Trotz einer Vielzahl epidemiologischer Studien sind die Mechanismen, die die direkte Wechselwirkung zwischen Feinstaub und einzelnen Zellen kontrollieren, kaum verstanden. Insbesondere sind die zellmechanischen Konzepte bezüglich Bindung und Aufnahme von Partikeln unbekannt. Dafür sind optische Messinstrumente erforderlich, die zelluläre Antworten auf Skalen von Nanometern und Millisekunden aufzeichnen können.Hierfür werden wir innovative Mikroskopietechniken und biophysikalische Konzepte einsetzen. Wir werden insbesondere optische Pinzetten, 3D Tracking von thermischem Fluktuationen und schnelle, markierungsfreiee Superauflösungsmikroskopie verwenden, um neue Einblicke in die relevanten Eintrittsmechanismen in Zellen zu erhalten. Mit diesen Werkzeugen wollen wir verschiedene Fragestellungen beantworten: Nach welchen biophysikalischen Prinzipien wird das Eindringen von Partikeln in Zellen gesteuert? Wie beeinflussen die Partikeleigenschaften das Schicksal der Zelle? Oder: Wie gehen verschiedene Lungenzelltypen mit Partikeln um? Mittels unseres photonischen Kraftmikroskops bringen wir Feinstaubpartikel auf reproduzierbare Weise in die Nähe von Lungenzellen, um die dynamische Änderung der Bindungsstärke und der Reibung im Kontakt mit der Zelle zu messen. Diese Wechselwirkungsparameter können aus den thermischen Fluktuationen der Partikel extrahiert werden. Die Experimente werden durch schnelle, superauflösende Mikroskopie (Rotating Coherent Scattering (ROCS)-Mikroskopie) an lebenden Zellen ergänzt, die es uns ermöglicht, die Reorganisation des Zytoskeletts mit 100 Hz zu beobachten. Durch die Verwendung verschiedener Fluoreszenz-Zytotoxizitätsassays wird das zelluläre Antwortmuster mit der Sekretion von entzündungsfördernden Signalstoffen korreliert.Der Antrag ist für 2 Doktoranden/innen konzipiert, die in verschiedenen Aspekten des Projekts eng zusammenarbeiten. PhD 1 in soll den Eintritt von Feinstaub in Lungenzellen mit Hilfe der photonischen Kraftmikroskopie untersuchen und die mechanischen Prinzipien der Aufnahme verschiedener Partikel über thermische Fluktuationen charakterisieren. PhD 2 untersucht die Dynamik des Zytoskeletts während der Anbindung und des Eindringens verschiedener Feinstaubpartikel in Lungenepithelzellen mit ROCS-Mikroskopie. Von diesem Forschungsprojekt erwarten wir wichtige neuartige Erkenntnisse, um den Einfluss von Feinstaub auf Lungenerkrankungen besser einschätzen zu können, mit großer Relevanz für die Bereiche Umwelttoxikologie und Pneumologie.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen