Wie entstehen unterschiedlich große Blutgefäße?

Endoglin-mutante Zellen in grün (links) bilden ein zu großes Blutgefäß im Vergleich zum Nachbarblutgefäß in rot (rechts).
© W. W. Sugden et al.

Projekttitel: Analysis of the cytoskeleton in controlling endoglin-dependent endothelial cell shape changes in response to mechanical forces
Projektleitung: Arndt F. Siekmann, Britta Trappmann
Projektlaufzeit: 11/2017 - 12/2018
Projektkennziffer: FF-2017-21

Das Blutgefäßsystem eines Körpers besteht aus dicken und dünnen Arterien und Venen, die über sehr kleine Kapillarblutgefäße miteinander verbunden sind. Wissenschaftler des Exzellenzclusters „Cells in Motion“ der Universität Münster wollen verstehen, warum und wie es in der Entwicklungsphase zu den unterschiedlich großen Durchmessern kommt. Bisher bekannt: Die sogenannte Schubspannung des Blutflusses erweitert die Gefäße, weil sich Endothelzellen, die Blutgefäße auskleiden, unter dem Druck des Flusses ausdehnen. Diese Annahme stimmt, es gibt aber auch eine andere Reaktion auf die Schubspannung – speziell während der Entwicklung des Gefäßsystems. Münstersche Forscher haben vor kurzem herausgefunden, dass sich der Durchmesser von Blutgefäßen mit dem Blutfluss auch verkleinern kann. Genau dieses Verkleinern entscheidet darüber, wie verzweigt das Gefäßsystem wird. Forscher um Dr. Arndt Siekmann konnten in Zebrafischen das Schrumpfen neu entstehender Blutgefäße beobachten. Ihre Endothelzellen sind anfangs rund, fließt nun aber Blut durch die gebildete Röhre, werden die Zellen von der Schubspannung in die Länge gezogen. Gleichzeitig behalten sie ihre Fläche. Endothelzellen sind also nicht mehr rund, sondern längsgestreckt. Wenn nun alle Endothelzellen so reagieren, kommt es zu einer Kontraktion des Gefäßes, die Röhre schrumpft im Durchmesser.

Entscheidend für diesen Mechanismus ist offenbar das Gen Endoglin. Das hat die Forschungsgruppe um Arndt Siekmann zumindest in Zebrafischen nachgewiesen. Funktioniert das Gen Endoglin nicht einwandfrei, kommt es zu einer Gefäßerkrankung namens Morbus Osler. Patienten mit dieser Krankheit haben sogenannte arteriovenöse Missbildungen. Dabei gehen Arterien direkt in Venen über. Es fehlen die kleinen Kapillarverästelungen, die dem Gewebe normalerweise Nährstoffe zur Verfügung stellen. Manche Gewebeteile bleiben bei Morbus-Osler-Patienten daher unterversorgt. Ohne Endoglin bleibt die Fläche von Endothelzellen in der Entwicklung offenbar rund, die Zellen ziehen sich nicht mehr zusammen. Dadurch kommt es zu einer Umverlagerung des Blutflusses aus den Kapillaren in einige Arterien und Venen, die nun zu groß bleiben. Außerdem haben die Forscher entdeckt, dass sich die schlecht durchbluteten Kapillaren im Laufe der Entwicklung zurückbilden.

In diesem Forschungsprojekt wollen Wissenschaftler des Exzellenzclusters „Cells in Motion“ nun die Mechanismen aufdecken, die hinter dieser Fehlbildung stecken. Für die ersten Untersuchungen wollen sie in einem Modell Blutgefäße nachbilden, den Blutfluss simulieren und bestimmen, welche Moleküle für den Schrumpf-Mechanismus entscheidend sind.

Dafür arbeitet Biologe Dr. Arndt Siekmann mit Biomedizin-Ingenieurin Dr. Britta Trappmann zusammen. Sie entwickelt mit ihrer Forschungsgruppe dreidimensionale, künstliche Gewebemodelle mit winzigen Röhren aus einem speziellen Hydrogel. Die vorgeformten Röhren wollen die Wissenschaftler mit Endothelzellen auskleiden und anschließend mit einer Pumpe Flüssigkeit durch das neu gebildete Blutgefäß fließen lassen. So können sie beobachten, wie die Endothelzellen auf die Schubspannung reagieren. Ihre Hypothese: Die Röhren werden sich auch im Gewebemodell zusammenziehen. Dann könnten die Forscher prüfen, welche Moleküle für die Veränderung der Röhren verantwortlich sind.

Im zweiten Schritt will Arndt Siekmann in Zebrafischen überprüfen, ob die gesammelten Erkenntnisse auch im lebenden Organismus stimmen. Und ob es eine Möglichkeit gibt, Fehlbildungen während des Entwicklungsprozesses aufzuhalten. Die Versuche könnten einen Hinweis liefern, ob es einen Therapieansatz für Morbus-Osler-Patienten gibt. Bis es so weit ist, sind allerdings viele weitere Forschungsprojekte nötig.