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Wie die Nachbarschaft von Zellen ihre Fortbewegung beeinflusst

Gastbeitrag von Sargon Groß-Thebing, Biologiedoktorand in der Arbeitsgruppe von Prof. Erez Raz am Exzellenzcluster „Cells in Motion"
Biologiedoktorand Sargon Groß-Thebing
© CiM/T. Hauss

Unser Körper besteht aus Billionen von Zellen, den Grundbausteinen des Lebens. Zellen existieren in den verschiedensten Formen, ihre unterschiedlichen Funktionen und Fähigkeiten sind faszinierend: Zellen können eine Kopie ihrer selbst erstellen. Einige Zellen können Zellarten produzieren, die anders sind als sie selbst. Im Institut für Zellbiologie sind wir begeistert von Zellen mit der Fähigkeit zur Zellwanderung. Zellen wandern einerseits, um Infektionen zu bekämpfen, um Wunden zu verschließen und um abgestorbene Zellen zu ersetzen. Andererseits verbreiten sich auch bösartige Krebszellen, indem sie gezielt im Körper wandern.

Durch welche Mechanismen die Zellwanderung grundsätzlich angetrieben wird, ist in der Petrischale umfassend untersucht worden. Unser Körper ist jedoch wesentlich komplexer. Um die Wanderung von Zellen im lebenden Organismus zu untersuchen, nutzen wir Zebrafische. Da sie Wirbeltiere sind und ihre wichtigen Organsysteme denen des Menschen gleichen, sind sie sehr gut für die biomedizinische Forschung geeignet. Zudem entwickeln sich die durchsichtigen Zebrafisch-Embryonen außerhalb des Mutterleibes. Das macht es uns Forschern leicht, die Bewegung von einzelnen Zellen und die Entwicklung von Organen “live“ zu beobachten.

Um zu verstehen, wie sich Zellen im lebenden Organismus fortbewegen, machen wir uns die Eigenschaft der Zellwanderung von Geschlechtszellen des Zebrafischs zu Nutze. Geschlechtszellen sind die Vorläuferzellen von Spermien und Eizellen. Sie entstehen schon ganz früh in der Entwicklung des Zebrafischembryos, wenn er erst drei bis vier Stunden alt ist. Ab dem Zeitpunkt wandern sie in dem sich entwickelnden Embryo zu dem Ort, an dem sich die Geschlechtsorgane ausbilden. Daher sind die Geschlechtszellen im Zebrafischembryo ein geeignetes und leicht zugängliches Modell, um die Wanderung von Zellen in vivo, also im lebenden Organismus, zu studieren. In den vergangenen 20 Jahren haben Wissenschaftler bereits erste Einblicke in die Fortbewegungsmechanismen der Geschlechtszellen im Zebrafisch erhalten. Zum Beispiel haben wir in unserem Institut kürzlich zeigen können, dass sie Falten in ihrer Membran nutzen, um sich fortzubewegen.  zum Artikel

In meiner Forschung konzentriere ich mich in erster Linie auf die Umgebung und die Nachbarschaft von Geschlechtszellen und gehe der Frage nach, wie benachbarte Gewebe oder Organe die Wanderung von Zellen beeinflussen. In den vergangenen Jahren haben Forscher Hinweise gesammelt, dass insbesondere die biophysikalische Beschaffenheit der unmittelbaren Nachbarschaft von Zellen – also ob eine Umgebung weich oder hart ist – ihre Fortbewegung beeinträchtigen kann. Dies trifft sowohl auf den gesunden als auch den kranken Zustand zu, zum Beispiel bei einer Krebserkrankung. Studien in der Petrischale haben bereits gezeigt, dass bestimmte Zellen tatsächlich ihre Nachbarschaft aktiv „wahrnehmen“ und Umgebungen vorziehen, die von der Beschaffenheit „hart“ sind. Im Gegensatz zu den Studien in der Petrischale, die in stark vereinfachten zweidimensionalen Umgebungen durchgeführt wurden, verwenden wir einen Ansatz, mit dem wir uns das Zusammenspiel von Umgebung und wandernden Zellen dreidimensional in Geweben im lebenden Organismus, hier dem Zebrafischembryo, anschauen können. Dadurch schaffen wir experimentelle Bedingungen, die sehr nah an den normalen Lebensvorgängen sind, um die gewonnenen Erkenntnisse möglicherweise für spätere medizinische Anwendungen relevant zu machen.

Dieses Bild zeigt drei zehn Stunden alte Zebrafisch-Embryonen, die digital ,,übereinandergelegt“ wurden. Mittig verläuft eine Struktur entlang der Körperachse (grün). Wenn ein spezifischer Lockstoff ausgeschaltet wird, verteilen sich die Geschlechtszellen (pink, gelb, hellblau) überall im Embryo und nehmen ihre unmittelbare Umgebung (dunkelblau, grün) wahr. Durch Aufnahmen und Analysen von hunderten von Embryonen dieser Art sollen Regionen identifiziert werden, die die Wanderung der Geschlechtszellen beeinflussen.
© S. Groß-Thebing

Biologen und Mathematiker verbünden sich

Um das Zusammenspiel von wandernden Zellen und ihrer Umgebung zu untersuchen, verwenden mein Arbeitskollege Łukasz Truszkowski und ich moderne Live-Fluoreszenzmikroskopie. Diese Art der Mikroskopie ermöglicht es uns, die Verteilung und Bewegung der Geschlechtszellen in dreidimensionalen Umgebungen zu untersuchen. Hierbei betrachten wir die Geschlechtszellen im lebenden Zebrafischembryo, indem wir die Geschlechtszellen und ihre Umgebung mit Fluoreszenzfarbstoffen anfärben, die unter dem Mikroskop leuchten.

Um zuverlässige und statistisch aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten, brauchen wir eine relativ hohe Anzahl von 300 bis 500 Embryonen. Hier begegnen wir der ersten Herausforderung: Wir müssen unglaublich viele Daten sammeln und analysieren. Weiterhin können die mikroskopisch erfassten Embryonen – wie wir Menschen – unterschiedlich groß sein. Darüber hinaus können die einzelnen aufgenommenen Embryonen in ihrer dreidimensionalen Ausrichtung voneinander abweichen. Diese Herausforderungen erschweren eine zuverlässige Datenauswertung.

Konkret geht es darum, alle aufgenommenen Embryonen in einem ersten Schritt zu „vereinheitlichen”, sodass wir dann im zweiten Schritt alle Daten „übereinanderlegen“ können. Dadurch können wir Regionen innerhalb des Zebrafischembryos identifizieren, in denen sich die Geschlechtszellen besonders gerne aufhalten. Gleichzeitig erhalten wir einen Einblick in Regionen, in denen sich die Zellen wesentlich weniger aufhalten. Die dreidimensionalen Daten „übereinanderzulegen“ ist eine Herausforderung, die mit den Methoden der Zellbiologie nicht zu lösen ist. Aus diesem Grund haben wir eine interdisziplinäre Zusammenarbeit mit Mathematikern aus der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Martin Burger begonnen, die durch den Exzellenzcluster „Cells in Motion“ der Universität Münster finanziell unterstützt wird. Aktuell arbeiten wir gemeinsam mit den Mathematikern Dr. Daniel Tenbrinck, Ramona Sasse und Michael Ryu an einem Programm, das unsere Mikroskopie-Daten automatisch analysiert und uns dadurch ermöglicht, bestimmte Umgebungen innerhalb des Zebrafischembryos zu identifizieren, welche die Zellwanderung beeinflussen.

Typischer Alltag: Sargon Groß-Thebing und sein Kollege Łukasz Truszkowski legen am Computer die Daten übereinander.
© CiM/T. Hauss

Interdisziplinäres Arbeiten: Chance und Herausforderung

Biologen und Mathematiker sprechen unterschiedliche Sprachen. Daher ging es zu Beginn unserer Zusammenarbeit darum, unser biologisches Problem so weit zu vereinfachen, dass auch Nicht-Biologen unsere Fragestellungen verstehen. Das Gleiche galt für die Mathematiker, die ihre Formeln und Algorithmen anschaulich erklärten. Wir haben in den ersten Monaten gegenseitig Begriffe aus unserem Fachjargon erläutert und Einblicke in die Arbeits- und Denkweise der jeweils anderen Fachdisziplin erhalten. Jene Kennenlernphase war sehr wichtig und entscheidend für unsere erfolgreiche Zusammenarbeit, die bis heute anhält.

Ich bin zudem sensibilisiert worden, wie wichtig es ist, sich als Forscher nicht nur auf seine eigenen Stärken und Expertisen – in meinem Fall die Zellbiologie – zu beschränken, sondern auch über den eigenen Tellerrand hinauszuschauen. In der heutigen Zeit, in der das Internet der Dinge, Big Data und künstliche Intelligenz unseren Alltag erreicht haben, wird es immer wichtiger, dass verschiedene Disziplinen zusammenkommen. Wenn Biologen, Mediziner, Physiker, Chemiker und Mathematiker interdisziplinär zusammenarbeiten, können wir viel mehr zur biomedizinischen Forschung beitragen, als eine einzelne Gruppe allein. Ich bin meinem Doktorvater Prof. Dr. Erez Raz sehr dankbar, dass ich im Rahmen meines Forschungsprojekts für meine Doktorarbeit interdisziplinär arbeiten darf und kann Kollegen aus der Biologie und Medizin nur dazu ermutigen, andere Fachdisziplinen wie die Mathematik und Physik als wertvolle Ressource zu betrachten und Kollaborationen offen gegenüberzustehen.

Hintergrund "Wissenschaft allgemeinverständlich"
Dieser Artikel ist das Ergebnis eines Kommunikationstrainings für Nachwuchswissenschaftlerinnen und Nachwuchswissenschaftler. Die Teilnehmer erlernten Techniken für das Schreiben eines interessanten, gut lesbaren Textes. Anschließend verfassten sie einen allgemeinverständlichen Artikel über ihre Forschung und übersetzten ihn ins Englische. Das Kommunikationsteam des Exzellenzclusters „Cells in Motion“ initiierte das Projekt und unterstützte die Teilnehmer in Einzelcoachings. Die Supportstelle Englisch der WWU half bei der Optimierung der Übersetzungen. Die Ziele: Das eigene Forschungsthema inhaltlich und sprachlich reflektiert aufzubereiten, soll den Teilnehmern in der Kommunikation mit der Öffentlichkeit, aber auch innerhalb der Wissenschaft nutzen. Darüber hinaus sammeln sie Erfahrungen in der Zusammenarbeit mit Kommunikationsabteilungen und Fotografen.