Dynamik und Kräfte während der Anfangsstadien der Gewebeinvasion durch Entamoeben

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Ralf Metzler; Professorin Dr. Christine Selhuber-Unkel, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Biomaterialien ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 492009952

Parasitische Amöben können zahlreiche Erkrankungen verursachen, beispielsweise die Amöbenruhr und Entzündungen des Gehirns. Ein wesentlicher Schritt für das Fortschreiten von Amöbenerkrankungen ist das Eindringen der Amöben in umliegendes Gewebe, sowie dessen Zerstörung. Dabei sind verschiedene Prozesse involviert, z.B. die aktive Migration der Amöben durch Engstellen im Gewebe, die Zerstörung der extrazellulären Matrix, wie auch das Abtöten von Zielzellen und die Trogozytose, bei der die Entamöben an Zielzellen knabbern. Somit sind sowohl biochemische als auch physikalische Mechanismen in die Anfangsstadien der Gewebeinvasion durch Entamöben involviert. Durch die Kombination experimenteller Methoden aus der Biophysik und Materialwissenschaft mit theoretischen Ansätzen aus der statistischen Physik werde wir den jeweiligen Einfluss von physikalischen und biochemischen Mechanismen untersuchen. Dazu werden wir mikrostrukturierte Umgebungen verwenden, um den Einfluss von Engstellen auf die Bewegung der Amöben und ihre Gewebeinvasion untersuchen. Außerdem werden wir erforschen, ob sich die intrazelluläre Bewegung und die Migration der Entamöben verändert, wenn Zielzellen in das System eingebracht werden. Insbesondere werden wir Partikel in die Zellen injizieren, um intrazelluläre Flüsse und Verwirbelungen zu untersuchen und um den Einfluss der Packungsdichte auf die (intra)zelluläre Bewegung zu quantifizieren. Dabei ist eine wichtige Fragestellung, ob biologische Prozesse durch ein künstlich dichtgepacktes Zellinneres beeinflusst werden. Durch diese Messungen und mithilfe von Werkzeugen aus der statistischen Physik werden wir detaillierte Einblicke in die Korrelation der Zellbewegung und der intrazellulären Bewegung erhalten. Außerdem werden wir den Einfluss von Kräften bei der Trogozytose und der Gewebezerstörung untersuchen, z.B. durch Traction Force Microscopy. Um ein tiefgehendes Verständnis der Amöbenbewegung durch das Gewebe und hin zu Zielzellen zu erhalten, werden wir minimale, bewegliche Modelle für Amöben aufstellen und diese simulieren. Durch den Vergleich der genauen Bewegungsmuster dieser deformierbaren Modellzellen mit den Informationen aus den Experimenten werden wir die physikalischen Modellparameter anpassen, beispielsweise die Amöbenkraft. Wir streben außerdem an, die wesentlichen Prinzipien gerichteter Amöbenbewegung mit dem Modell zu erfassen und zu verstehen. Langfristig planen wir unsere Studien durch Etablierung von Organ-on-a-chip Systemen zu erweitern und das physikalische Verständnis der Entamöebninvasion näher an die in vivo Situation zu bringen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2332: Physik des Parasitismus