Die Physik der Epithelien

Wie ein Gewebe während der Entwicklung seine schlussendliche Grösse und Form erreicht und wie dessen Morphologie während der Lebensdauer beibehalten oder modifiziert wird, sind zentrale Fragen der Systembiologie. Die Forscher des Projekts EpiPhysX wollen diese beantworten. Dazu erstellen sie Modelle der physikalischen und biologischen Abläufe, welche die Form und Grösse eines Organs während seiner Entwicklung beeinflussen.

Epithelien kleiden die Hohlräume, Drüsen und Oberflächen des Körpers aus. Die Haut sowie der Verdauungs- und Atmungstrakt sind gute Beispiele hierfür. Ursprünglich ging man davon aus, dass sich die Fragenstellungen rund um das Wachstum von Epithelien auf ein zweidimensionales Problem reduzieren lassen. Epithelien leben aber in einer dreidimensionalen Welt. Durch das Wachstum verursachte mechanische Spannungen und Veränderungen der Zelldichte bringen das Gewebe dazu, sich in die dritte Dimension auszuweiten. Umgekehrt kann auch die Zellspannung die Wachstumseigenschaften der Epithelien beeinflussen.

Brückenschlag zwischen verschiedenen Grössenordnungen

Wie das Wachstum die Mechanik, und umgekehrt, wie die Mechanik das Wachstum, beeinflusst, sind spannende Forschungsfragen, deren Bedeutung stetig zunimmt. Der Fortschritt in diesem Forschungsbereich wird allerdings aus zwei Gründen erschwert: einerseits, weil ein verständlicher und quantitativer Ansatz fehlt, der mehrere Grössenordnungen – wie z.B. von der Zellmembranmechanik bis zum Organ – umfasst. Andererseits, existiert kein leistungsstarkes und flexibles Computermodell, das physikalische und biologische Parameter auf verschiedenen Stufen integriert.

Innovative Technologien

Um die Mechanismen, die bei der Epithelentwicklung beteiligt sind, vollumfänglich zu verstehen, werden mehrere Systeme untersucht. Diese reichen von einzelnen Zellen, primären Fruchtfliegen-Kulturen, Zebrafischepithelien bis hin zur sich entwickelnden Reptilienhaut. Innovative Technologien wie Biosensoren, welche die physikalischen Parameter der Gewebe quantitativ anzeigen, Micro-Imaging, mikro-mechanische und Roboter-Systeme werden hierfür entwickelt und eingesetzt.

Experimente und Modelle

Das EpiPhysX-Projekt basiert auf dem kontinuierlichen Austausch zwischen experimentellen Untersuchungen und Modellen. Um die Entwicklung und die Entstehung von Eigenschaften auf höheren Stufen zu beschreiben, werden Parameter in die Modelle integriert, die auf der Zellebene wichtig sind. Diese Modelle werden auf Hochleistungs-Multikernprozessor-Rechnern parallel geschalten und der Systembiologie-Gemeinschaft für Untersuchung einer Vielzahl weiterer Projekte zur Verfügung gestellt.

Stand: Juni 2013