Zellen auf der Flucht

In unserem K?rper liegen die Zellen in Haut, Knochen, Muskeln, Blutgef?ssen und Organen dicht nebeneinander ¨C ganze 100 Billionen davon in einem menschlichen K?rper. Durch diese eng gepackte Umgebung m¨¹ssen sich manche Zellen hindurchschl?ngeln k?nnen ¨C allen voran die Immunzellen, die durch Gewebe patrouillieren, um Krankheitserreger oder defekte Zellen aufzusp¨¹ren. Dabei helfen ihnen bestimmte F?higkeiten. So weiss man seit kurzem, dass Immunzellen Engstellen in ihrer N?he wahrnehmen und diesen ausweichen k?nnen. Doch unsere K?rperzellen k?nnen nicht nur ihre Umgebung, sondern auch sich selbst vermessen: Sie registrieren, sobald sie in einer Engstelle zu stark zusammengedr¨¹ckt werden und aktivieren einen Fluchtmechanismus.

Diesen Mechanismus hat die Gruppe von Daniel M¨¹ller am Departement f¨¹r Biosysteme der ETH Z¨¹rich in Basel nun zusammen mit einem internationalen Team von Wissenschaftlern, unter anderem von der Universit¨¦ Paris Science & Lettres und des Ludwig Boltzmann Institute for Rare and Undiagnosed Diseases in Wien, genauer untersucht und im Fachmagazin externe Seite Science ver?ffentlicht. Die Ergebnisse k?nnten in Zukunft bei der Verbesserung der Immuntherapie bei Krebserkrankungen helfen.

Aus der Enge raus

Entscheidende Beobachtungen erm?glichte ein spezielles Rasterkraftmikroskop an der ETH. In dieses hatte der Biophysiker C¨¦dric Cattin, damals Postdoktorand in M¨¹llers Gruppe, eine selbst entwickelte Mikrofeder aus Glas eingebaut. Mit dieser feinen Messapparatur konnten die Forschenden einzelne Zellen sehr pr?zise und schrittweise zusammendr¨¹cken und im Mikroskop beobachten, wann und wie die Zellen auf die Deformierung reagierten. Das Ger?t registrierte dabei nicht nur die Kraft, mit der die Mikrofeder auf eine Zelle dr¨¹ckte, sondern auch, ob die Zelle selbst einen Gegendruck erzeugte.

So stellte sich heraus, dass die Zellen zwar einigen Druck ohne Gegenwehr tolerieren. ?Alle untersuchten Zellen liessen sich von ihrer normalen Kugelform mit einem Durchmesser von etwa 25 Mikrometer auf eine flachere Form mit einer H?he von 10 Mikrometer zusammendr¨¹cken?, sagt ETH-Professor Daniel M¨¹ller. Wurden die Zellen aber weiter eingeschr?nkt, reagierten sie: Sp?testens, wenn sie bis auf f¨¹nf Mikrometer flachgedr¨¹ckt waren, erzeugten sie einen Gegendruck und setzten sich gleichzeitig in Bewegung, um der Engstelle zu entschl¨¹pfen.

Der Zellkern als Massstab

In weiteren Untersuchungen stellte das Team fest, dass der Zellkern f¨¹r diese Fluchtreaktion verantwortlich ist ¨C genauer, dessen H¨¹lle. Diese enth?lt im Normalfall Falten, ?hnlich wie die Haut ¨¹ber unseren Fingergelenken. Sobald aber eine Zelle so weit zusammengedr¨¹ckt wird, dass sich auch der Zellkern deformiert, entfaltet und dehnt sich die Kernh¨¹lle. ?Diese Dehnung der H¨¹lle gibt das Startzeichen f¨¹r die Fluchtreaktion?, erkl?rt M¨¹ller. Aus der gestreckten H¨¹lle entweichen Calcium-Ionen, die ein bestimmtes Enzym aktivieren, welches wiederum eine Reaktion in Gang setzt, die das Actomyosin-System der Zelle einschaltet. Dieses ist f¨¹r die Bewegungen der Zelle zust?ndig und l?st im Ger¨¹st der Zellen Kontraktionen aus. Dadurch bauen diese einen Gegendruck auf und entweichen.

?Der Zellkern wirkt also wie ein Massstab, der bestimmt, ab wann es f¨¹r die Zelle zu eng wird?, erkl?rt M¨¹ller. Besonders gut sichtbar wird dieser Mechanismus unter dem Rasterkraftmikroskop, wenn die beiden Proteine Actin und Myosin mit Fluoreszenzfarbstoffen versehen sind. Sobald die H¨¹lle des Zellkerns gedehnt wird, bilden sich explosionsartig ganze Blasen dieser beiden Proteine in der Zelle.

Ans?tze f¨¹r eine bessere Immuntherapie

Ihre Ergebnisse aus den Experimenten mit der Mikrofeder best?tigten die Forschenden daraufhin in weiteren Versuchen. Unter anderem schickten sie Zellen in mikrofeinen Glaskapillaren durch Engstellen oder beobachteten deren Bewegungen in unterschiedlich dichten Zellkulturen. Auch hier entwichen die Zellen aus Engp?ssen zwischen f¨¹nf und zehn Mikrometern durch eine unvermittelte Aktivierung des Actomyosin-Systems. Dieses Verhalten beobachteten die Forschenden zudem bei allen der getesteten Zelltypen, darunter etwa Tumorzellen oder Immunzellen aus M?usen. ?Wir folgern daraus, dass wohl die meisten Zelltypen diese F?higkeit besitzen?, sagt M¨¹ller.

Die neuen Erkenntnisse liefern Hinweise f¨¹r verschiedene Anwendungen, etwa f¨¹r die Forschung an k¨¹nstlichen Geweben. Um solche Gewebe ¨C k¨¹nstliche Haut oder Organe ¨C in die gew¨¹nschte Form zu bringen, werden K?rperzellen auf einem synthetischen Ger¨¹st gez¨¹chtet, Matrix genannt. Die neuen Beobachtungen zur Bewegung von Zellen d¨¹rften beim Design solcher Matrices helfen. Auch f¨¹r die Immuntherapie, die seit einigen Jahren als grosse Hoffnung in der Krebsmedizin gilt, k?nnten die Ergebnisse n¨¹tzlich sein. Dabei werden k?rpereigene Immunzellen dazu angeregt, Tumorzellen zielgerichteter anzugreifen. Allerdings ist es f¨¹r die Immunzellen manchmal schwierig, ¨¹berhaupt zu den Krebszellen durchzudringen, da ein Tumor dichter wuchert als gesundes Gewebe. Um dies zu verbessern, sagt M¨¹ller, k?nnten Forschende k¨¹nftig beim aufgedeckten Fluchtmechanismus ansetzen.