Regulation kontraktiler Kräfte in selbst-assemblierenden Mikro-Geweben

• Antragsteller: Professor Dr. Ben Fabry
• Fachliche Zuordnung: Biophysik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 529897225

Architektur und mechanische Eigenschaften der extrazellulären Matrix (ECM) beeinflussen die Funktion von Gewebe wie Knochen, Herz- und Skelettmuskel oder Haut. Diese Eigenschaften werden weitgehend durch ECM-sezernierende Fibroblasten bestimmt. Diese wiederum reagieren auf ihre eigene Matrix, wodurch eine komplexe Rückkopplungsschleife entsteht, die bei fibrotischen Prozessen z.B. in Leber, Lungen, Atemwegen oder Herz eine zentrale Rolle spielt. In diesem Projekt soll der Rückkopplungs-Mechanismus zwischen Zellkontraktilität und Matrixsteifigkeit bei der Gewebebildung und Fibrose im Detail untersucht werden. Dazu haben wir Modellsysteme entwickelt, in denen Zellen in Biopolymernetzwerke mit definierten mechanischen Randbedingungen eingebettet sind. Während sich die Zellen in der Matrix ausbreiten und kontraktile Kräfte ausüben, orientieren sich die Netzwerkfasern um und übertragen die Kräfte auf benachbarte Zellen. Dies führt schließlich zu großflächigen Umbauprozessen in der ECM und zur Gewebebildung, die sich durch die Randbedingungen, die Zelldichte und die ECM-Zusammensetzung beeinflussen lassen. Durch Einbringen von zwei flexiblen Säulen in das Matrixnetzwerk richten sich die Matrixfasern parallel aus, und es entsteht ein kontraktiles Gewebe, das einem fibrotischen Narbengewebe ähnelt. Die kontraktilen Kräfte dieses Gewebes können durch die Biegung der flexiblen Säulen gemessen werden, und die effektive Gewebesteifigkeit kann durch deren Biegesteifigkeit, die Höhe, in der sich das Gewebe bildet, und durch eine extern aufgeprägte uniaxiale Dehnung des Gewebes moduliert werden. Letzteres ermöglicht die direkte Messung der passiven Gewebesteifigkeit und ihrer zeitlichen Entwicklung. Wir werden insbesondere eine optogenetisch manipulierte Fibroblastenzelllinie verwenden, bei der Rho-vermittelte kontraktile Kräfte lokal oder global durch Licht aktiviert werden können. Anschließend werden wir die räumliche Ausbreitung und zeitliche Entwicklung von lichtinduzierten kontraktilen Kräften in 3D-Gewebemodellen bestimmen, und untersuchen, wie sich fibrotisches Gewebe in Abhängigkeit von lokalen Matrixeigenschaften (architektonisch, mechanisch), globalen mechanischen Randbedingungen (Steifigkeit, Geometrie), pharmakologisch- oder lichtinduzierter kontraktiler Aktivierung, Zelldichte und Zellausrichtung ausbildet. Kontraktile Kräfte einzelner Zellen oder des gesamten Gewebes werden mit Hilfe der Traktionskraft-Mikroskopie und der Verbiegung der flexiblen Säulen vermessen; die mechanischen ECM-Eigenschaften werden mit Hilfe zyklischer uniaxialer Gewebedehnung bestimmt; die ECM-Architektur und Zusammensetzung der ECM wird mit Hilfe von Second Harmonic Imaging und Immunfluoreszenzmikroskopie untersucht. Die Ergebnisse werden zu einem besseren Verständnis der Prozesse bei der Bildung von fibrotischem Gewebe beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Thomas Boudou, Ph.D.