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Das Kriechen der Leukozyten

14.06.2017

Leukozyten, die weißen Blutkörperchen, spielen eine wichtige Rolle im menschlichen Immunsystem. Wo immer sie gebraucht werden, kriechen sie hin - und das buchstäblich. Wie diese Bewegung passiert und sich mathematisch berechnen lässt, erforscht Mathematiker Christian Schmeiser.

Im menschlichen Blut tummeln sich eine Menge Leukozyten. Findet im Körper eine Immunreaktion statt, für die weiße Blutkörperchen gebraucht werden, können sich diese aus dem Blutstrom hinaus in ein Gewebe hinein bewegen. Erst kürzlich haben ForscherInnen entdeckt, dass sich Leukozyten in der Art ihrer Bewegungen stark von anderen Zellen unterscheiden.

Während die meisten Zellen Füßchen - sogenannte Lammellipodien - bilden, mit denen sie sich an einer Oberfläche anhaften und den Zellkörper nachziehen, kommen Leukozyten ohne die Anhaftung aus, wenn die Umgebung eingeschränkt genug ist. "Ein guter Vergleich wäre Eisklettern in einem Kanal, der breitere und engere Stellen hat. Auch wenn man auf dem Eis überhaupt keinen Halt findet, kann man hinaufklettern, indem man die Ellbogen ausstreckt und sich hochzieht", erklärt Christian Schmeiser vom Institut für Mathematik die Bewegungsdynamik, die in seinem aktuellen WWTF-Projekt eine wichtige Rolle spielt.

Bewegungsmodelle in 3D

Um herauszufinden, wie der Fortbewegungsmechanismus bei Leukozyten genau funktioniert, haben sich BiologInnen und MathematikerInnen im gemeinsamen Forschungsprojekt "Modeling of Polarization and Motility of Leukocytes in Three-Dimensional Environments" zusammengetan. Ziel ist es, durch mathematische Modelle die Bewegungsmuster der Leukozyten besser zu verstehen. In zwei abgeschlossenen WWTF-Projekten entwickelte der Mathematiker bereits zuvor Modelle für Zellbewegung. Im Unterschied zu den Vorgängerprojekten experimentiert die Forschungsgruppe rund um Christian Schmeiser und Projektpartner Michael Sixt vom Institute of Science and Technology Austria diesmal aber nicht nur auf flachen Oberflächen, sondern auch in eingeschränkten, dreidimensionalen Umgebungen.

Chance für Medizin

Obwohl sich das Projekt im Bereich der Grundlagenforschung bewegt, hofft Schmeiser, dass die Ergebnisse irgendwann auch für die Praxis relevant werden können. Einen potenziellen Anwendungsbereich sieht er beispielsweise in der Medizin: "Wenn ich verstanden habe, wie der Mechanismus der Zellbewegungen funktioniert, kann ich auch versuchen, ihn zu beeinflussen." Zudem seien viele Mechanismen, die es in Zellen gibt, universell. Was für Leukozyten gilt, könnte somit auch für andere Zellen relevant sein.

Die Biologie als Motor

Am Anfang des Forschungsprojekts steht die biologische Beobachtung, aus der sich die konkrete Fragestellung ergibt: Wie bewegen sich Leukozyten fort? Das ist der Startschuss für die Mathematik, die laut Schmeiser immer dort dienen kann, wo Experimente an ihre Grenzen stoßen. "Wenn ich einem Auto beim Fahren zusehe, verstehe ich noch nicht, warum es fährt. Wenn ich mir dann den Motor ansehe, sehe ich zwar einen Haufen Teile, aber die bewegen sich nicht mehr. So kann ich also auch nicht verstehen, warum der Wagen fährt."

Ähnlich sei das auch in der Zellbiologie: Eine Zelle in Bewegung könne man mit dem Lichtmikroskop beobachten. "Dann kann man die Zelle festhalten, einfrieren und unter ein Elektronenmikroskop legen." Das Bild der toten Zelle liefere zwar detaillierte Informationen über die Teile und den Aufbau der Zelle zu einem bestimmten Zeitpunkt, sage aber nichts über den Bewegungsvorgang selbst aus.

"Ein ständiger Kreislauf"

"Wir stellen eine Theorie auf, wie der Bewegungsvorgang abläuft und entwickeln das mathematische Modell dazu", erklärt Schmeiser die Vorgehensweise im Projekt. Stimmt die Theorie beim Nachrechnen nicht mit dem beobachteten Verhalten überein, ist sie falsifiziert und die Biologie ist gefordert, das Experiment anzupassen oder zu wiederholen. So gewinnt man neue Daten für die mathematischen Berechnungen. "Es ist ein ständiger Kreislauf", schmunzelt Schmeiser.

In den Experimenten, die der mathematischen Modellierung vorausgehen, werden mikroskopisch kleine Kanäle aus Kunststoff gebaut, durch die die Leukozyten kriechen können. "In glatten Kanälen ohne Struktur kommen die Leukozyten nicht weiter. Wir haben festgestellt, dass die Bewegung beginnt, sobald ein bisschen Struktur vorhanden ist." Mit dem bisherigen Projektverlauf zeigt sich der Mathematiker zufrieden. "Wir haben es geschafft, mathematisch zu beschreiben und zu simulieren, was in der Biologie experimentell beobachtet wurde." Die Ergebnisse der Forschungsarbeit sollen in mehrere Publikationen einfließen." (pp)

Das Projekt "Modeling of Polarization and Motility of Leukocytes in Three-Dimensional Environments" wird von Univ.-Prof. Dr. Christian Schmeiser von der Fakultät für Mathematik der Universität Wien in Kooperation mit Dr. med. Michael Karl Sixt vom Institute of Science and Technology von 1. März 2014 bis 28. Februar 2018 durchgeführt. Gefördert wird das WWTF-Forschungsprojekt im Rahmen des Life Science Calls "New Ventures Beyond Established Frontiers".

uniview: Wie beantworten Sie unsere Semesterfrage "Gesundheit aus dem Labor - Was ist möglich?"

Christian Schmeiser: "MathematikerInnen können hier viel beitragen, Stichwort: individualisierte Medizin. In Zukunft wird es wohl mathematische Modelle geben, die - auch wenn sie vielleicht relativ einfach und grob sind - genug Komplexität haben, um individuelle PatientInnendaten einfließen zu lassen. Auf diesem Gebiet findet aktuell eine große Entwicklung statt. Der WWTF hat z.B. einen speziellen Call zu diesem Thema, Precision Medicine, wo es darum geht, interdisziplinäre Ansätze für individualisierte Medizin zwischen WissenschafterInnen, die quantitativ und experimentell arbeiten, zu fördern.

Jedes Semester stellt die Universität Wien ihren WissenschafterInnen eine Frage zu einem Thema, das die Gesellschaft aktuell bewegt. In Interviews und Gastbeiträgen liefern die ForscherInnen vielfältige Blickwinkel und Lösungsvorschläge aus ihrem jeweiligen Fachbereich. Die Semesterfrage im Sommersemester 2017 lautet "Gesundheit aus dem Labor - was ist möglich?". Zur Semesterfrage: http://medienportal.univie.ac.at/uniview/semesterfrage/sose-2017/

Quelle: Forschungsnewsletter der Universität Wien Juni 2017 | 14. Juni 2017

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