Ärzte Zeitung online, 29.03.2010

Stammzellen bilden auf weichen Flächen Nerven, auf harten bilden sie Knochen

GÖTTINGEN (eb). Aus können sich verschiedene Gewebezellen entwickeln. Welcher Zelltyp sich aus adulten menschlichen Stammzellen herausbildet, hängt auch mit den mechanischen Eigenschaften der Zellumgebung zusammen. Wissenschaftler stellten fest: Auf weichen Oberflächen entwickeln Tagen Nervenzellen, auf mittelharten Muskelzellen und auf harten Oberflächen entstehen Knochenzellen.

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Stammzelle. Links Ansicht im Fluoreszensmikroskop (Stressfasern grün, Zellkern blau) rechts die Strukturanalyse. Die Stressfasern haben sich längs ausgerichtet. © Universität Göttingen

Der Göttinger Biophysiker Dr. Florian Rehfeldt hat mittels Fluoreszenzmikroskopie das frühe Stadium dieser Differenzierung untersucht. Bereits nach 24 Stunden konnte er erkennen, wie sich Form und innere Struktur von Stammzellen aus dem Knochenmark in Richtung Muskelzellen verändern. Damit wies er nach, dass sich bereits nach sehr kurzer Zeit signifikante Unterschiede durch das komplexe mechanische Zusammenspiel zwischen Zelle und Umgebung herausbilden.

Bei seiner Forschung hat er mit Kollegen aus Israel und den USA zusammengearbeitet. Die Wissenschaftler entwickelten und erprobten ein physikalisch theoretisches Modell, welches das komplexe System von Zelle und Umgebung mit einfachen Prinzipien der klassischen Mechanik erklärt (Nature Physics 2010, online vorab).

"In der Medizin kann es in Zukunft von Nutzen sein, Stammzellen aus dem Knochenmark zu therapeutischen Zwecken einzusetzen. Dafür ist es wichtig zu verstehen, wie das komplexe mechanische Zusammenspiel zwischen Zelle und Umgebung abläuft", so Rehfeldt. "Deshalb haben wir in unseren Experimenten sehr genau die Ordnung und Struktur des Zytoskeletts von Stammzellen in Abhängigkeit von der Zellumgebung untersucht."

Das Zytoskelett ist das mechanische Gerüst, mit dessen Hilfe Zellen Kräfte aufbauen und an die Umgebung übertragen. Dieses Netzwerk im Inneren der Zelle besteht unter anderem aus Akto-Myosin-Stressfasern, die wie Taue kreuz und quer gespannt sind.

Rehfeldt hat in seinen Experimenten Stammzellen auf unterschiedlich harten Oberflächen wachsen lassen und mit Hilfe elektronischer Bildverarbeitung analysiert, wie sich diese Stressfasern ausrichten. "Die Zellen sind zunächst alle rund. Auf einer Oberfläche mittlerer Elastizität strecken sie sich in die Länge, indem sich die Stressfasern entlang der Hauptrichtung der Zelle ausrichten. Das ist ganz typisch für Muskelzellen", so Rehfeldt.

Für die Erklärung des komplizierten Systems haben israelische Wissenschaftler ein physikalisch theoretisches Modell entwickelt. "Obwohl dieses Rechenmodell auf einfachen mechanischen Annahmen beruht, kann es doch erstaunlich genau das komplexe Zusammenspiel von Zelle und Umgebung beschreiben. So können wir grundlegende Fragen der Biophysik von Zellen besser verstehen", so Rehfeldt. Das Modell soll nun verfeinert werden, um auch das Verhalten anderer Zelltypen erklären zu können.

Zum Abstract der Originalpublikation: "Optimal matrix rigidity for stress-fibre polarization in stem cells"

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