Zelldynamik und Bildgebung

Kurzprofil unserer Forschung

Das Themengebiet „Zelldynamik und Bildgebung“ ist ein Forschungsschwerpunkt der Universität Münster. Das Cells in Motion Interfaculty Centre vernetzt und unterstützt Forschende in diesem Gebiet und ist Inkubator für neue interdisziplinäre Fragestellungen, die dazu beitragen, den Forschungsschwerpunkt weiterentwickeln.

  • Zellen in Bewegung

    BEISPIELE

    Eine Bindegewebszelle einer Maus bewegt sich mit „Scheinfüßchen“ vorwärts. Forscherinnen und Forscher in unserem Verbund haben entdeckt: Durch die Krümmung der Zellmembran am Ansatz der Scheinfüßchen lagern sich IBAR-Proteine an. Dadurch kann die Zelle das Protein Aktin (grün) lokal aufbauen, und die Scheinfüßchen wachsen erneut aus. Durch diesen Bewegungskreislauf können sich Zellen über längere Distanz in die gleiche Richtung bewegen und Suchmuster formen. Die Studie ist im Jahr 2019 in der Fachzeitschrift „Nature Physics“ erschienen.
    © Isabell Begemann, Milos Galic
    • Neue Blutgefäße sprießen aus einem bestehenden Gefäßnetz. Dabei wandern dessen Endothelzellen, ordnen sich neu an und formen Kontakte mit anderen Zellen. Forscherinnen und Forscher in unserem Verbund haben herausgefunden, dass der gestreckten Form von Endothelzellen dabei eine hohe Bedeutung zukommt. Eine wichtige Funktion hat außerdem das Zellkontakt-Protein VE-Cadherin (grün), das den Zusammenhalt von Endothelzellen untereinander sicherstellt. Die Studie ist im Jahr 2018 in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ erschienen.
      © Cao et al./Nature Communications
    • Welche Mechanismen stecken dahinter, wenn Immunzellen bei Entzündungen aus einem Blutgefäß ins Gewebe wandern? Forscherinnen und Forscher in unserem Verbund haben herausgefunden: Das Protein Laminin 511 (rot) beeinflusst, wie eng Blutgefäßzellen miteinander verbunden sind, und hemmt die Wanderung von Immunzellen (grün) durch die Endothelzellschicht (blau) der Blutgefäße. Immunzellen wandern vorrangig dort ins Gewebe, wo wenig Laminin vorkommt (Pfeile). Die Studie ist im Jahr 2017 in der Fachzeitschrift „Cell Reports“ erschienen.
      © Song et al./Cell Reports

    Jedem einzelnen Vorgang in einem Organismus liegen Wechselwirkungen zwischen Molekülen und Zellen zugrunde. Um diese komplexen Beziehungen zu verstehen, untersuchen wir, wie Komponenten innerhalb einer Zelle zusammenspielen und wie Zellen mit anderen Zellen interagieren. Wir erforschen, welche biochemischen und biophysikalischen Eigenschaften von Zellen ihr Verhalten beeinflussen, wie Gene diese Eigenschaften bestimmen und wie die dynamischen Prozesse in einem Organismus im gesunden Gleichgewicht bleiben – in der Homöostase. Ein Hauptaugenmerk unserer Forschung liegt auf zellulären Vorgängen im Blut- und Lymphgefäßsystem sowie auf deren Bedeutung für die Funktion von Organen. Wir untersuchen diese Zusammenhänge sowohl wenn sich Gefäße entwickeln als auch wenn sie bereits ausgebildet sind.

    Wenn wir mehr über die molekularen Mechanismen im gesunden Organismus herausfinden, können wir auch Rückschlüsse darauf ziehen, was im Körper bei Erkrankungen passiert und im Detail analysieren, wie sich intakte Zellsysteme zu erkrankten Systemen verändern. Vor allem interessieren wir uns für Entzündungsreaktionen: Immunzellen wandern dabei aus den Blutgefäßen ins Gewebe, um dort Infektionen zu bekämpfen oder Gewebeschäden zu reparieren. Diese Entzündungsreaktionen können ganz unterschiedlich ablaufen – je nachdem in welchen Organen und Gefäßen sie vorkommen. Bei Autoimmunerkrankungen richten sie sich auch gegen körpereigene Zellen. Die Mechanismen dahinter wollen wir verstehen.

  • Innovative Bildgebung

    BEISPIELE

    Forscherinnen und Forscher in unserem Verbund haben eine Methode entwickelt, mit der sie die Wanderung von Entzündungszellen in Mäusen besser beurteilen und untersuchen können: Sie schafften es, Vorläufer von Immunzellen genetisch zu verändern, anschließend im Reagenzglas zu vermehren und im lebenden Organismus mit verschiedenen Bildgebungsverfahren zu verfolgen. Die Abbildung zeigt die zeitliche und räumliche Verteilung von Immunzellen (rot) im Körper einer Maus mit einer entzündungsbedingten Hautkrankheit. Die Studie ist im Jahr 2018 in der Fachzeitschrift „Theranostics“ erschienen.
    © S. Gran & L. Honold et al./Theranostics 2018(8)
    • Forscherinnen und Forscher in unserem Verbund haben ein neues Verfahren entwickelt, mit dem sie anhand von Gewebeproben Blut- und Lymphgefäße bei Lymphödemen digital räumlich rekonstruieren, visuell darstellen und analysieren können – hier eine digitale 3D-Rekonstruktion einer gesunden menschlichen Hautbiopsie. Man erkennt deutlich die räumliche Anordnung der Blutgefäße (weiß) und Lymphgefäße (rot). Die Studie ist im Jahr 2017 in der Fachzeitschrift „JCI Insight“ erschienen.
      © R. Hägerling et al./JCI Insight
    • Forscherinnen und Forscher in unserem Verbund konnten erstmals akute Entzündungen im Gehirn bei Patienten mit Multipler Sklerose (MS) bildgebend nachweisen. Bild links: Die Wissenschaftler hatten in Studien mit Mäusen herausgefunden, dass bestimmte Enzyme (MMPs, grün dargestellt), Immunzellen (rot dargestellt) ermöglichen, die Blut-Hirn-Schranke zu überwinden, also die Wand der Blutgefäße im Gehirn (weiß dargestellt, im Querschnitt). Erst dann flammt die Entzündung auf. Bild Mitte: Mit einem fluoreszierenden Spürstoff markierten die Forscher die Enzyme. So konnten sie zunächst bei Mäusen auf entzündete Areale schließen. Bild rechts: Eine radioaktiv markierte Variante des Spürstoffs machte die Entzündung schließlich auch bei MS-Patienten sichtbar. Die Studie ist im Jahr 2016 in der Fachzeitschrift „Science Translational Medicine“ erschienen.
      © Korpos (left) / Gerwien, Faust, Sorokin, Schäfers (centre) / Sci. Transl. Med. 8 (2016), Gerwien & Hermann et al. (right)

    Um biomedizinische Fragestellungen zu beantworten, betrachten wir zelluläre Vorgänge systematisch mithilfe bildgebender Verfahren. Das Spektrum reicht von der hochauflösenden Lichtmikroskopie bis zu Methoden der Ganzkörperbildgebung, die den gesamten Organismus darstellen. Vom detaillierten Blick in die Zelle hinein wird unser Sichtfeld immer größer – wir zoomen sozusagen aus dem Ausschnitt heraus: Wie verhält sich die Zelle in Geweben, Organen und im ganzen Organismus? Um diese Brücke zu schlagen, verfolgen wir in unserem Wissenschaftsverbund eine einzigartige Strategie: Wir entwickeln chemische und mathematische Methoden, die mit verschiedenen bildgebenden Verfahren kompatibel sind. Erst dadurch wird es möglich, die gleiche Zelle mit unterschiedlichen Bildgebungsverfahren in unterschiedlichen Größendimensionen und im zeitlichen Verlauf zu untersuchen. Hier liegt auch das Potenzial, dass wir die bei Fruchtfliegen, Zebrafischen und Mäusen angewandten Methoden auf klinische Bildgebungsverfahren übertragen und für die Diagnostik bei Patienten nutzbar machen können – zum Beispiel, um akute Entzündungen im Gehirn bei der Multiplen Sklerose sichtbar zu machen.

  • Interdisziplinäre Forschung

    In unserem wissenschaftlichen Gebiet arbeiten Forscherinnen und Forscher aus Medizin, Biologie, Chemie, Pharmazie, Physik, Mathematik und Informatik zusammen. Forschungsfragen und Erkenntnisse der unterschiedlichen Fachdisziplinen treiben sich gegenseitig voran: Biologen und Mediziner identifizieren beispielsweise Moleküle, die für bestimmte zelluläre Vorgänge wichtig sind. Chemiker entwickeln neue Stoffe und Signalgeber, die sich an diese Moleküle oder Zellen heften, um sie dann mit Bildgebungsverfahren sichtbar zu machen. Physiker entwickeln Detektoren für die Bildgebung, die spezifische Signale erfassen, sowie neue Messverfahren, die biophysikalische Parameter analysieren können – beispielsweise Kräfte, die zwischen Zellen wirken. Mathematiker und Informatiker wiederum entwickeln Algorithmen, die unter anderem mit künstlicher Intelligenz – sogenanntem maschinellen Lernen – große Mengen an Bilddaten und weiteren Labordaten verarbeiten und analysieren können. Ein Computer kann so beispielsweise spezifische Muster des Zellverhaltens in vielen unterschiedlichen Geweben erkennen – was biomedizinische Fragen beantworten und wiederum neue Fragen aufwerfen kann.

    Wenn unterschiedliche Expertisen und Herangehensweisen zusammenwirken, fördert das die wissenschaftliche Kreativität und ermöglicht entscheidende Fortschritte. Die Verbindung naturwissenschaftlicher und klinischer Perspektiven in unserem Wissenschaftsverbund begünstigt zudem die Überführung grundlegender Erkenntnisse in klinische Anwendungen.