Physik der Lunge: Wie beeinflusst mechanische Spannung Zellfunktion und Gewebeintegrität?

• Antragstellerin: Professorin Dr. Mareike Zink
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Biophysik ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 574053419

In den letzten Jahren wurde in immer mehr Studien gezeigt, dass viele Krankheiten nicht nur durch biologische Veränderungen der zugrunde liegenden Zellen und Gewebe verursacht werden, sondern dass auch viele physikalische Eigenschaften an diesen Prozessen beteiligt sind. Tatsächlich spielen beim Fortschreiten von Krebserkrankung, ebenso wie bei der Wundheilung und der Verschlechterung von Lungenerkrankungen wie der chronisch obstruktiven Lungenerkrankung (COPD) die Zelldynamik und -migration eine entscheidende Rolle. Darüber hinaus sind biomechanische Eigenschaften wie die Zellsteifigkeit eng mit deren Funktion verbunden. Eines der bekanntesten Beispiele, wo Gewebemechanik eng mit der Organfunktion verknüpft ist, ist die Lunge, die sich ständig bewegt und unter mechanischer Spannung steht. Beim Einatmen werden Bronchien und Alveolen vergrößert und die Oberfläche des zugrundeliegenden Epithels aufgeweitet. Tatsächlich führt bei normaler Atmung ein Unterdruck außerhalb der Lunge zu einer Spannung und Gewebedehnung, wenn Luft einströmt. Im Gegensatz dazu zwingt bei der mechanischen Beatmung (MV) ein positiver Druck in der Lunge das Gewebe dazu, sich auszudehnen. Es ist jedoch seit Jahrzehnten bekannt, dass MV schwerwiegende Nebenwirkungen wie beatmungsbedingte Verletzungen und Volutrauma haben kann, deren Ursprung nicht vollständig geklärt ist. Dennoch ist MV oft die einzige lebensrettende Strategie für Patienten, deren Lunge den erforderlichen Gasaustausch nicht mehr selbständig durchführen kann. Wie unsere vorherige Studie gezeigt hat, ist die mechanische Reaktion des Lungengewebes unter Zugspannung, wie sie bei der Zwerchfellatmung auftritt, anders als unter Gewebekompression, verursacht durch erhöhten positiven Luftdruck bei der MV. Wie sich invasive mechanische Beatmung auf die Funktion der Epithelzellen in den Bronchien und Alveolen auswirkt, bleibt unklar. Dieses Projekt zielt darauf ab, die Physik von Lungenepithel-Monolagen unter Dehnung zu erforschen. Durch den Aufbau eines Epithelzell-Monolagen-Stretchers, der die Oberflächenvergrößerung und Biegung des Lungengewebes während der Beatmung nachahmt, werden wir die Auswirkungen von mechanischen Spannungen und Dehnungen untersuchen. Weiterhin soll die Quantifizierung der Zelldynamik innerhalb der gedehnten Zellschichten eine Antwort darauf geben, ob eine Erneuerung und Regeneration des Epithelgewebes nach einer durch Beatmung verursachten Verletzung möglich sind. Darüber hinaus planen wir Relaxationen der mechanischen Spannungen zwischen Lungenzellen und Zell-Zell-Interaktion während der Verformung zu quantifizieren – wichtig für die Funktion und Integrität des Epithels. Da jüngste Studien gezeigt haben, dass COPD eine der häufigsten Todesursachen bei Frauen ist, die die tödlichen Folgen von Brust- und Lungenkrebs zusammen übertrifft, zielt dieses Projekt darauf ab, mehr Licht in die Physik von Lungenzellen, Krankheiten und beatmungsbedingten Verletzungen zu bringen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Japan
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Takeshi Kawasaki