Krafterzeugung und Kraftübertragung in wandernden Leukocyten

Zellmigration ist essentiell für alle vielzelligen Lebewesen und spielt in den meisten Bereichen der Entwicklungsbiologie, Homeostase und Pathologie eine bedeutende Rolle. Um sich fortzubewegen müssen Zellen intrazelluzläre Kraft auf die Umgebung übertragen. Zellwanderung ist demnach in erster Linie ein mechanischer Vorgang, und das Wissen über Kraftkopplung zwischen dem intrazellulären Zytoskelett und extrazellulärer Umgebung wächst kontinuierlich. Bis vor kurzem stützten sich fast alle Arbeiten zur Zellwanderung auf ein Paradigma das ursprünglich von Abercrombie und Kollegen in den 1970er Jahren etabliert wurde: hier bewegen sich Zellen auf zweidimensionalen Oberflächen, indem sie an ihrem Vorderende Substratkontakte etablieren und diese, in einem Haptokinese genannten zyklischen Prozess, am Hinterende wieder auflösen. Obwohl dieses Arbeitsmodell zweifellos die Basis für unzählige fundamentale Erkenntnisse war, zeigte sich in den letzten Jahren, dass Haptokinese nur eine von vielen zellulären Fortbewegungsstrategien darstellt. Unsere rezenten Arbeiten zeigten, dass besonders Leukozyten, diejenigen Zellen, welche mit höchster Geschwindigkeit und Effizienz wandern, ein enormes Spektrum an biophysikalischen Strategien einsetzen, um sich fortzubewegen. Obwohl bekannt ist, dass all diese Strategien auf Kraftgenerierung durch das Aktomyosinsystem zurückgreifen, sind die gundlegenden Prinzipien, welche solch eine Plasitzität hervorbringen, kaum bekannt. Ziel dieses Antrages ist es, ein mechanisches und molekulares Modell davon zu etablieren, wie sich Leukozyten im physiologischen Interstitium fortbewegen. Folgende Kernfragen sollen adressiert werden: 1) Welche molekularen Faktoren bedingen Aktinnukleation und Elongation am Vorderende. Wie werden diese Faktoren moduliert, wenn die Zelle zwischen Umgebungen unterschiedlicher Geometrie und Haftung wechselt? 2) Ausser Polymerisation bestimmen vor allem Depolymerisation, Myosine und Kreuzvernetzer die Zytoskelettmechanik. Wie beeinflussen diese Faktoren die morphodynamische Plastizität von Leukozyten? 3) Kraftübertragung auf die Umgebung kann entweder durch Transmembranrezeptoren erfolgen oder durch andere Mechanismen wie Deformation des Zellkörpers. Wie werden solche Deformationen in Fortbewegung umgesetzt? Technisch werden diese Fragen mit einer Mischung aus Lebendzellmikroskopie und künstlich generierten (z.B über microfluidics und micropatterning) Substraten addressiert. Die Zellen - in erster Linie Primärzellen - werden über genetische und pharmakologische Ansätze manipuliert. Grundlegende Erkenntnisse werden letztendlich in lebenden Geweben überprüft, um sicherzugehen, dass die artifizielle Substrate sich in einem physiologsichen Rahmen bewegen. Dieser integierte und multidisziplinäre Ansatz wird nicht nur fundamentale Erkenntnisse über Immunzellwanderung hervorbringen, sondern auch das Verständnis von anderen Zelltypen wie metastatischen Tumorzellen verbessern.

Die Fähigkeit zur Fortbewegung ist eine der offensichtlichsten Manifestationen biologischen Lebens und die meisten multizellulären Organismen (mit Ausnahme der Pflanzen) sind in ihrer Entwicklung und Aufrechterhaltung strikt darauf angewiesen, dass sich ihre Einzelzellen aktiv bewegen. Zelltypabhängig kann die Fortbewegung verschiedene Formen annehmen: einige Zellen sind während der Bewegung eng in den Gewebekontext eingegliedert, andere nicht. Wir untersuchten vor allem Zellen des Immunsystems. Immunzellen sind extreme beweglich, da sie, um Ihrer Überwachungsaufgabe nachzukommen, Zugang zu fast allen Geweben benötigen. Die ungefähre kumulative Strecke, die alle Immunzellen eines Menschen pro Stunde zurücklegen beträgt ca. 120 000 km. Wir haben gefunden, dass Immunzellen diese Leistung durch eine sehr promiskuitive Form der Fortbewegung bewerkstelligen, während der sie kaum mechanisch mit der extrazellulären Umgebung und anderen Zellen in Kontakt treten. Stattdessen interagieren sie sehr unspezifisch mit ihrer Umwelt und verändern nicht die Gewebearchitektur durch Verdauung und Remodellierung, wie das andere wandernde Zellen tun. Diese mechanisch autonome geländegängige Fortbewegung erlaubt es den Immunzellen, in jedes Organ problemlos einzudringen und es zu durchwandern. Wir haben die mechanischen Prinzipien dieser Art der Fortbewegung aufgeklärt und gefunden, dass sie eine Variation eines generell vereinheitlichbaren Schemas darstellen, bei der das Aktin Zytoskelett Kraft generiert und diese nach Außen überträgt. Ein mechanisch autonomes Verhalten hat schwerwiegende konzeptuelle Folgen: es überlässt alle lokalen Steuerungsfunktionen extrazellulären Lockstoffen, welche festlegen, wohin sich eine Zelle bewegen soll. Dies geschieht vor allem über chemoattraktive Gradienten. Wir haben im Rahmen unserer Arbeiten zum ersten Mal beschrieben, wie ein chemoattraktiver Gradient im Gewebe eines Säugers aufgebaut wird und nach welchen quantitativen Prinzipien dieser Immunzellen anlockt. Während unsere Untersuchungen primär darauf ausgelegt sind, grundsätzliche zelluläre Mechanismen aufzuklären, sind unsere Erkenntnisse auch oft unmittelbar relevant für das Verständnis humaner Erkrankungen: bemerkenswerterweise hat sich herausgestellt, dass das mechanisch autonome Verhalten der Immunzellen in ähnlicher Weise bei extrem metastatischen Krebszellen beobachtet werden kann.