Überbrückung der Skalen von Gewebemechanik und Einzelzellmechanik für verbesserte Tumordiagnostik

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Sebastian Aland; Dr.-Ing. Anna Taubenberger
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 511509575

Die mechanischen Eigenschaften von Tumoren sind ein vielversprechender Biomarker für die Tumordiagnostik und -prognostik. Frühere Studien zur Mechanik von Tumoren und einzelner Krebszellen kamen jedoch teilweise zu widersprüchlichen Ergebnissen. Dies wird darauf zurückgeführt, dass Zellen neben ihren elastischen Spannungen auch noch aktive Kräfte (Oberflächenspannung, Adhäsion) ausüben, die sich in einem Gewebe zu einer effektiven elastischen Materialantwort vermischen und somit Gewebemechanik und Einzelzellmechanik bisher schwer vergleichbar machen. Ziel des vorgeschlagenen Projektes ist es, diese Diskrepanz aufzulösen. Dafür wird ein Kontinuummodell entwickelt, welches die mechanischen Wechselwirkungen multipler Zellen beschreibt, wobei Oberflächenspannung, Biegesteifigkeit, Viskoelastizität und Zell-Zell-Adhäsionskräfte einbezogen werden. Das Modell soll numerisch gelöst und mit Experimenten kombiniert werden, in denen Tumorsphäroide mithilfe eines AFM Cantilevers uniaxial komprimiert werden. Ein Vergleich der Kraftantwort mit den numerischen Ergebnissen erlaubt die Entschlüsselung der relativen Anteile der rheologischen Eigenschaften und der Zell-Zell-Interaktionen, und damit die Überbrückung der Skalen von Einzelzellmechanik zur Gewebemechanik. Eine Validierung der Methode erfolgt im Anschluss durch systematische Modulation von Zellmechanik und -adhäsion mithilfe geeigneter Inhibitoren und genetischer Manipulationen. Abschließend wird das Modell auf die mechanische Charakterisierung von Tumororganoiden angewendet; die daraus resultierenden Daten ermöglichen die Korrelation klinischer Parameter und biophysikalischer Eigenschaften einzelner Zellen. Die Vielseitigkeit des Modells macht es geeignet für weiterführende Anwendungen, z.B. die Ausweitung auf weitere Gewebetypen, sowie die Modellierung des Tumorwachstums.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen