Regulation und Mechanik einer homöostatischen Spannung in rekonstituiertem Muskelgewebe

• Antragsteller: Professor Dr. Timo Betz
• Fachliche Zuordnung: Biophysik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 569108445

Muskelgewebe dient nicht nur der Bewegung, sondern auch der Haltungsstabilität, Wärmeerzeugung und mechanischen Anpassung. Neueste Studien deuten darauf hin, dass eine nicht-stimulierte („homöostatische“) Spannung eine entscheidende Rolle in der Muskelentwicklung spielt. Deren Regulation und mechanische Grundlagen sind jedoch weitgehend unbekannt – insbesondere bei Erkrankungen wie der Duchenne-Muskeldystrophie (DMD). Ziel dieses Projekts ist es, die homöostatische Spannung in rekonstituierten menschlichen Muskelmikrogeweben (MMTs) systematisch zu untersuchen und deren strukturelle sowie molekulare Ursachen aufzudecken. Vorläufige Daten zeigen, dass MMTs aus DMD-Zellen paradoxerweise eine höhere homöostatische Spannung aufweisen als gesunde MMTs – trotz deutlich schwächerer Kontraktionen bei Stimulation. Wir vermuten, dass es sich um einen aktiv regulierten mechanischen Sollwert handelt, der sich klar von passiver Spannung und stimulierter Kontraktion unterscheidet. Hierfür setzen wir hochauflösende Mikroskopie, Kraftmessung, gezielte pharmakologische Inhibition und mikro-mechanische Analysen in einer eigens entwickelten PMMA-Kammer ein. Wir analysieren die mechanischen Beiträge von kortikalem Aktomyosin, Sarkomeren und extrazellulärer Matrix (ECM) zur homöostatischen und stimulierten Spannung sowie deren rheologische Eigenschaften bei zeit- und frequenzabhängiger Beanspruchung. Ein besonderer Fokus liegt auf der Fehlregulation in DMD-MMTs, um die mechanische Quelle der erhöhten Spannung zu bestimmen. Darüber hinaus untersuchen wir die inverse Beziehung zwischen homöostatischer und stimulierter Spannung, analysieren nichtlineare Versteifung und kartieren lokale Deformationsfelder, um affine von nicht-affinen Verformungen zu unterscheiden. Die Messplattform wird weiterentwickelt, um Echtzeit-Kraftmessungen im Inkubator und aktive Rheologie mit geschlossener Regelung zu ermöglichen. Dieses Projekt wird neue Erkenntnisse zur mechanischen Regulation von Muskelgewebe liefern, pathophysiologische Zusammenhänge in Muskelkrankheiten aufklären und die Entwicklung fortschrittlicher in-vitro-Modellsysteme ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen