Ausdehnung der Grenzen in der Infektions-Mechanobiologie: Untersuchung der räumlich-zeitlichen Dynamik der bakteriellen Verbreitung in mechanisch stimulierten Zellmonoschichten

• Antragstellerinnen: Effie Bastounis, Ph.D.; Professorin Dr. Iordania Constantinou
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 490839690

Die Zunahme multiresistenter Erreger bedroht die globale Gesundheit. Zur Bekämpfung von Infektionen müssen wir verstehen, wie Wirtszellen in Umgebungen mit vielfältigen biochemischen und mechanischen Reizen mit bakteriellen Pathogenen interagieren. Im Dünndarm, einem primären Infektionsort, bilden Epithelzellen (EZ) eine Barriere gegen Bakterienausbreitung. EZ sind mechanischen Kräften wie zyklischen Dehnungen (ZD) und luminalen Strömungen ausgesetzt, die wichtige Zell- und Barrierefunktionen regulieren. Störungen der EZ Barriere, besonders bei Entzündungen, korreliert mit erhöhter Infektionsanfälligkeit. Wie (extra-)zelluläre Mechanik die intrazelluläre bakterielle Ausbreitung beeinflusst, ist jedoch nicht ausreichend verstanden. Dieses Projekt untersucht, wie ZD die Biomechanik von EZ beeinflusst, sowohl unter gesunden Bedingungen als auch mit intrazellulärer Bakterieninfektion. Wir nutzen Listeria monocytogenes (L.m.) einen Lebensmittelerreger, der zuerst Darm-EZ infiziert, bevor er sich systematisch ausbreitet. Mit StretchView 2.0 - einem weiterentwickelten multidirektionalen Hochdurchsatz-Zelldehnungssystem für automatisierte Videomikroskopie - werden wir das Zusammenspiel von Zellmechanik und Infektionsdynamik erforschen. Erste Daten zeigen, dass ZD die Motilität von EZ reduziert und die E-Cadherin-Lokalisierung in Zellkontakten erhöht, was auf erhöhte interzelluläre Kräfte und Barriereintegrität hinweist. Zur Quantifizierung dieser Effekte werden wir Zellformanalysen und Kraftinferenzmethoden nutzen sowie die Zytoskelettdynamik und transkriptomische Veränderungen untersuchen, um das Wechselspiel von Zellmechanik und der ihr zugrunde liegenden Biochemie als Reaktion auf ZD zu entschlüsseln. Darauf basierend werden wir untersuchen, wie ZD die Ausbreitung von L.m. in EZ beeinflusst. Unsere Hypothese ist, dass erhöhte interzelluläre Kräfte die Zell-Zell-Übertragung der Bakterien begrenzen und ihre Ausbreitung hemmen. In späteren Infektionsstadien werden wir die Wirkung der ZD auf die kollektive Extrusion infizierter Zellen (CICE) untersuchen. Letztere wird gesteuert durch ERK-Aktivitätswellen, die die mechanische Konkurrenz zwischen infizierten und nicht infizierten Zellen koordinieren. Wir vermuten, dass ZD die ERK-Wellenausbreitung moduliert und so den mechanischen Wettbewerb steuert, der zur CICE führt. Dies werden wir mittels Zugkraft-mikroskopie und FRET-Bildgebung an infizierten Zellmonoschichten auf StretchView 2.0 prüfen. Wir werden zudem Perfusion in StretchView 2.0 integrieren, um ihren Einfluss auf Zytokinverteilung, ERK-Wellenfrequenz und Abtransport infizierter Zellen zu bewerten. Damit klären wir, ob zusätzliche Strömung die Wirtsabwehr durch CICE fördert oder bakterielle Ausbreitung begünstigt. Unsere Erkenntnisse vertiefen nicht nur das Verständnis mechanischer Kräfte in Wirt-Pathogen-Interaktionen, sondern bieten auch Potenzial für auf mechanischen Reizen basierende Therapieansätze zur Stärkung der zellulären Infektionsabwehr.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen