Modellierung heterogener Zellgruppen und Ihrer Umgebung

Die Bewegung von Zellen gehört zu den faszinierendsten Prozessen der Biologie. Sie spielt in vielen Bereichen des Lebens eine entscheidende Rolle: In der frühen Entwicklung wandern Zellen, um Gewebe und Organe zu bilden; bei der Wundheilung bewegen sie sich, um Verletzungen zu schließen; und bei Krebs können Zellen, die den Primärtumor verlassen, sich im ganzen Körper ausbreiten ein Prozess, der als Metastase bezeichnet wird. Überraschenderweise reisen Krebszellen dabei oft in Gruppen, die erfolgreicher neue Tumoren bilden als einzelne Zellen. Warum das so ist, ist bislang ungeklärt. Unser Projekt will diese und andere Rätsel der kollektiven Zellmigration aufklären, indem wir Mathematik, Computerwissenschaften und Biologie verbinden. Uns interessiert, wie Zellen ihr Verhalten koordinieren, sich an ihre Umgebung anpassen und über Signalsysteme miteinander kommunizieren. Dafür entwickeln wir mathematische Modelle, die Zellverhalten in präzisen Gleichungen beschreiben. Diese Modelle erlauben es uns, Hypothesen zu testen, Experimente gezielt zu steuern und überprüfbare Vorhersagen zu machen. Wir arbeiten mit Krebszellen, einschließlich solcher von Brustkrebspatientinnen, um die Modelle an die Realität anzupassen. Ein Schwerpunkt liegt auf der Umgebung also der Gewebelandschaft, durch die Zellen wandern. Ein weiterer ist die Heterogenität von Zellen: Unterschiede etwa in Beweglichkeit oder Haftung könnten Zellgruppen anpassungsfähiger machen. Zudem untersuchen wir, wie Zellen über biochemische Netzwerke ihre inneren Zustände regulieren und so gemeinsame Bewegung steuern. So wollen wir erklären, wie und warum sich die Bewegung von Zellgruppen von der einzelner Zellen unterscheidet. Dieses Wissen ist nicht nur für die Krebsforschung wichtig, sondern auch für das Verständnis, wie lebende Systeme sich organisieren und zusammenarbeiten. Besonders an unserem Projekt ist der interdisziplinäre Ansatz. Wir kombinieren Mathematik und Biologie, um Zellmigration auf mehreren Ebenen zu untersuchen: von einzelnen Zellen über kleinen Gruppen bis hin zu ganzen Populationen. Mithilfe von Simulationen, Optimierung und maschinellem Lernen erforschen wir mögliche Strategien der Zellen. Diese Verbindung von Theorie und Experiment liefert Werkzeuge, um Fragen zu beantworten, die keine Disziplin allein lösen könnte. Am Ende könnte unsere Forschung eine große offene Frage der Krebsbiologie klären: Warum macht kollektives Wandern Krebszellen so erfolgreich? Mit diesem Verständnis eröffnen sich neue Wege, Metastasen gezielt zu verhindern. Gleichzeitig sind unsere Einsichten auch für andere Prozesse wie Embryonalentwicklung, Wundheilung und kollektives Verhalten von Zellen in Gesundheit und Krankheit relevant.