Modellierung der dreidimensionalen Formbildung von Gewebesystemen

Die Gesamtform eines Organismus wird während der Embryonalentwicklung festgelegt. Danach beobachtet man gewebeformende Prozesse nur noch während einer Wundheilung oder bei der Anpassung an mechanische Belastung oder Infektionen. Wie es Geweben gelingt, ihre vorgegebene Form so zu verlässig zu bilden ist nicht nur eine noch unbeantwortete, grundlegende Frage in der Biologie. Sie hat zudem im Hinblick auf die Stammzellforschung und die Züchtung von Ersatzorganen ausserhalb des Körpers, medizinische Relevanz.

Für die Gewebeformung müssen die in Zellverbänden organisierten Einzelzellen perfekt aufeinander abgestimmte mechanische Kräfte erzeugen. Bis vor kurzem glaubte man, dieser Prozess würde ausschliesslich durch den Differenzierungsstatus der Zellen gesteuert, der wiederum durch Signalnetzwerke bestimmt wird, die spezifische Genprogramme aktivieren.
Mittlerweile kristallisiert sich jedoch heraus, dass die Gewebeformung ein dynamischer Rückkopplungsprozess ist, bei dem Zellen in Abhängigkeit von ihrem Differenzierungsstatus Kräfte erzeugen und gleichzeitig unter dem Einfluss der auf sie einwirkenden Kräfte zu unterschiedlichen Zellarten ausdifferenzieren.

Kräfte in lebenden Geweben und Zellen

Die Erforschung solch komplexer Prozesse erfordert einen systembiologischen Ansatz, mit dem die mechanischen Kräfte der Gewebemorphogenese mit den molekularen Differenzierungsprogrammen in Verbindung gesetzt werden können. 
Die Untersuchung der in lebenden Geweben und Zellen wirkenden Kräfte ist ein komplexes Unterfangen und die Modellierung hat sich in diesem Bereich als wertvolles exploratives Hilfsmittel erwiesen. 
Bislang wurden vereinfachte zweidimensionale Modelle verwendet, die ganz spezifische Aspekte eines Gewebesystems simulieren und die einzelnen Zellen dabei als identische Bausteine betrachten. Allerdings erfolgen Gestaltbildung und Wachstum von Geweben in drei Dimensionen, und die Variabilität zwischen den Zellen ist ein grundlegender Aspekt biologischer Systeme.

Umfassende Modelle mit Berücksichtigung der dritten Dimension

MorphogenetiX ist als interdisziplinäres Projekt angelegt, das die oben erwähnten Punkte bei der Erforschung der Gestaltbildung von Geweben miteinbezieht. Die Grundlage für eine Erstellung von umfassenden Modellen, mit welchen die Gewebeformung umfassend abgebildet werden kann, bilden grossangelegte quantitative Analysen von Echtzeitdaten aus bildgebenden Untersuchungen. Diese decken die unterschiedlichen, räumlichen und zeitlichen Eigenschaften der einzelnen Zelltypen, aber auch der mutierten Zellen sowie von Geweben ab. Diese Modelle berücksichtigen explizit die dritte Dimension sowie die Variabilität zwischen den Zellen. Die Vorhersagekraft dieser Modelle bildet den Ausgangspunkt für weitere experimentelle Untersuchungen, deren Ergebnisse wiederum in die Modelloptimierung einfliessen. 
Das Projekt soll Anhaltspunkte liefern, welche gewebeübergreifenden Mechanismen für die Morphogenese von Bedeutung sind. In unserer Studie kommen sowohl die Entwicklung neuartiger Hilfsmittel zur Überwachung und Manipulation von Kräften in vivo, als auch ein auf proteomischen Methoden basierendes Raster zur Bestimmung entscheidender molekularer Faktoren zur Anwendung.

Updated June 2014