Entschlüsselung von Wirt-Pathogen-Interaktionen mittels organotypischem Zelldehnungsgerät und biomechanischen Untersuchungen

• Antragstellerinnen: Dr.-Ing. Effie Bastounis, Ph.D.; Professorin Dr. Iordania Constantinou
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Biomedizinische Systemtechnik ; Medizinische Mikrobiologie und Mykologie, Hygiene, Molekulare Infektionsbiologie ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 490839690

Die Untersuchung des dynamischen Zusammenspiels zwischen Wirtszellen, ihrer mechanischen Mikroumgebung und ihrer Interaktion mit pathogenen Bakterien ist entscheidend für das Verständnis von Virulenz und Wirtszellabwehr. In diesem Projekt untersuchen wir die Auswirkungen biochemischer und physikalischer Einflüsse auf die Ausbreitung intrazellulärer Bakterien in einlagigen Epithelien. Als Modellkeim nutzen wir den Lebensmittelkeim Listeria monocytogenes, welcher Darmepithelzellen als Haupteintrittspforte nutzt, was essentiell für eine systemische Infektion ist. Wir werden gleichzeitig i) Lebendzell-Epifluoreszenzmikroskopie zur Untersuchung der Kinematik von Wirtszellen und Bakterien, ii) Messungen der Zellmechanik mittels Traktionskraftmikroskopie und iii) Förster-Resonanz-Energie-Transfer (FRET)-Bildgebung zur Messung der raumzeitlichen Dynamik der durch extrazelluläre Signale regulierten Kinase (ERK) durchführen. ERK ist an der angeborenen Immunantwort beteiligt und kann durch Zelldehnung, z.B. Darmperistaltik, aktiviert werden. Vorläufige Daten deuten darauf hin, dass die ERK-Aktivierung in Wirtszellen während einer Infektion signifikant erhöht ist und bestimmte raumzeitliche Eigenschaften zeigt, was in der späten Infektion zur kollektiven Extrusion infizierter Zellen aus dem Monolayer führt. Mittels kymographischer Darstellung und Dimensionsreduktionsmethoden werden wir die ERK-Dynamik quantifizieren und ihr Wechselspiel mit der Wirtszellmechanik im Verlauf der Infektion aufklären. Um die Rolle extrazellulärer, physiologisch relevanter mechanischer Kräfte zu berücksichtigen, werden wir EpiStretch entwickeln, eine multifunktionale Zelldehnungsplattform die es uns ermöglicht, die Darmperistaltik zu imitieren. Dieses neue Instrument ist mit hochauflösender Lebendzell-Mikroskopie und biomechanischen Messungen kompatibel. Wir werden das System in der Komplexität schrittweise erweitern um weitere mechanische Signale, z.B. die Steifigkeit der extrazellulären Matrix oder luminale Scherkräfte, zu berücksichtigen. Mit EpiStretch werden wir zum ersten Mal in vitro den Einfluss zyklischer zellulärer Dehnungen in verschiedene Richtungen auf die bakterielle Ausbreitung und die kollektive Extrusion infizierter Zellen untersuchen. Gleichzeitig werden wir Änderungen der Wirtszell-Kinematik und -Dynamik bestimmen sowie Wechselwirkungen mit zellulärer Signalübertragung, besonders der dehnungssensitiven ERK-Aktivierung. Unser interdisziplinärer Ansatz wird zeigen, wie Virulenzmechanismen in komplexen biomechanischen Mikroumgebungen funktionieren und Bakterien als Werkzeug für zentrale Einblicke in die Mechanobiologie von Wirtszellen nutzen. Außerdem soll EpiStrech weitere Anwendungsmöglichkeiten in der Infektionsforschung bieten, z.B. für weitere Wirtszelltypen und/oder Pathogene und zur Erforschung verschiedener zellulärer Reaktionen im Verlauf der Dehnung (z.B. zelluläre Differenzierung, heterotypische Interaktionen von Epithelien mit Immun- oder Krebszellen).

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen