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Sie haben ihr Ziel erreicht! Elektrische Signale sorgen für eine perfekte Routenplanung von Zellen

29.07.2014 - (idw) Technische Universität Dresden

An der Medizinischen Fakultät Carl Gustav Carus der TU Dresden wird schon lange versucht, das Wanderungsverhalten von Zellen zu erforschen. Ein Forscherteam um Prof. Richard Funk, Direktor des Instituts für Anatomie, konnte jetzt nachweisen, wie sich Zellen von elektrischen Signalen leiten lassen und vor allem wie dieses Wissen künftig Patienten helfen könnte. Etwa 100 Billionen Zellen bewegen sich täglich über eine kurze oder längere Distanz in unserem Körper. Eine logistische Meisterleistung, von der wir kaum etwas mitbekommen. In jeder Sekunde bilden sich schätzungsweise vier Millionen neue Zellen. Jede einzelne bewegt sich zielsicher durch den Organismus. Sie verfehlen kaum ihr Ziel. Mit der größten Präzision kommen die nur wenige Mikrometer großen Bausteine genau dort an, wo sie gebraucht werden. Ihr Verkehrsleitsystem beruht neben biochemischen Signalen zu einem großen Teil auf elektrischen Signalen - auch in Form von Ladungs- und Ionengradienten - die überall dort ausgesendet werden, wo eine Zelle dringend gebraucht wird. Bereits während der embryonalen Entwicklung wandern sie das erste Mal. Später geht es zum Beispiel darum, Wunden zu schließen oder eine Immunantwort an der Infektionsstelle zu geben.

Hier ein Interview mit Prof. Dr. Richard Funk, Direktor des Instituts für Anatomie der Medizinischen Fakultät Carl Gustav Carus der TU Dresden, zu den aktuellen Forschungsergebnissen:

Kann man die Forschungsergebnisse unter der Überschrift zusammenfassen, dass die Zellen eine Art Kompass in sich tragen?
Ja, in dem Fall so eine Art elektrischen Kompass, denn sie reagieren ja auf elektrische Ladungen, auf Feldlinien im weitesten Sinne oder eben auf Konzentrationsgradienten von geladenen Teilchen, Ionen oder anderen geladenen Molekülen. Dasselbe gibt es aber auch für die chemische Seite, für bestimmte Moleküle, dann nennt man das nicht Elektrotaxis wie jetzt in dem Fall, sondern Chemotaxis. Die Zellen haben da oft mehrere Faktoren, die sie als Anhaltspunkte nehmen.

Warum bewegen sich eigentlich Zellen im Organismus?
Der Hauptanlass der Bewegung ist eigentlich die embryologische Entwicklung. Da müssen Zellen tatsächlich, um von einem Ort zum anderen zu kommen, oft relativ im Vergleich zur Gesamtgröße des Organismus weite Strecken selbstständig zurücklegen. Wie zum Beispiel die Zellen aus der Neuralleiste, also spezielle Zellen des Nervengewebes, die wandern dann in Richtung der Nervenbahnen und die differenzieren auch andere Gewebe.

Ist untersucht worden, wie weit Zellen sich überhaupt bewegen? Gibt es da einen Pumpenmechanismus oder wie bewegen sie sich zielgerichtet?
Ja, das ist schon gut untersucht worden. Die Zellen haben ein Skelett und da gibt es Komponenten, die als Motorproteine am Zellskelett entlanglaufen. Man kann sich das wirklich wie so ein inneres Stützskelett vorstellen. Da laufen dann bestimmte Proteine entlang und diese verändern dann auch die Form der Zelle selbst. So ähnlich wie dies Muskeln am ganzen Körperskelett tun.

Kann ich mir das jetzt so vorstellen, dass im Prinzip inner- und außerhalb der Zelle unterschiedliche Ladungen vorhanden sind und es den ständigen Versuch gibt, einen Ausgleich der Ladungsträger, eine Neutralisierung an der Zelle zu erzielen? Und auf diese Art und Weise bewegt sich die Zelle von Punkt A zu Punkt B?
Das ist nicht ganz so. Jede Zelle hat ein Membranpotenzial, sie baut von sich aus, und zwar jede, nicht nur Nerven- und Muskelzellen, ein Potenzial auf, in dem bestimmte geladene Teilchen, meist Ionen wie Natrium- (Na+), Kalium- (K+) oder Chlor- (Cl-) Ionen, ausgetauscht werden. Das geschieht entlang der Zellmembran, also der Haut der Zelle. Und dadurch gibt es außen eine andere Konzentration an Ionen als innen. So wird eine Ladung aufgebaut, mit der die Zelle arbeitet. Es ist tatsächlich eine unterschiedliche Ladung, ein Gradient, der als erstes da ist. Der kann mitgeteilt werden über Poren, die Ionen zwischen den Zellen durch lassen und so können ganze Reihen von Zellen gleichgeschaltet werden wie Epithelzellen, also die Oberflächenschutzzellen.

Dieses Signal ist ausschlaggebend, dass die Zelle, die Nervenzelle, die Muskelzelle sich tatsächlich im Körper bewegt und weiß, wo es langgeht?
Indirekt. Wenn beispielsweise in eine Epithellage eine Lücke geschlagen wird, einfach gesagt eine Wunde in der Haut entsteht, dann ist diese Kopplung unterbrochen, dann bildet sich ein sogenanntes Wundpotenzial. Solange die Epithelwand geschlossen ist, ist der Weg für die Ladungsträger versperrt. Entsteht eine Lücke, ändert sich das elektrische Feld entlang der Wunde. Und genau das ist tatsächlich dann der Richtungsgeber für neu einwandernde Zellen. Die laufen wieder gerichtet in diese Lücke. Das wissen wir jetzt. Die Zellen erkennen daran die Richtung, in welche sie sich bewegen müssen. An solchen Potenziallücken entsteht eine Spannung von bis zu 70 mV und höher. Das ist relativ viel für den Organismus und das nehmen die Zellen als Richtungsgeber und schließen dann deutlich gezielter als wenn es nur durch Diffusion wäre - die Wunde.

Hat Sie das dann am Ende überhaupt überrascht, dass das so eindeutig nachweisbar ist?
Ehrlich? Nein. Ich habe das ja auch schon mal in einer anderen Studie vor über zehn Jahren untersucht, weil wir festgestellt haben, dass sich bei künstlichen Gelenken, die in den Körper eingebracht wurden, Zellen an unterschiedlichen Orten besser ansiedeln als anderswo. Beispielsweise haben sich auf manchen geladenen Implantatoberflächen Zellen wohler gefühlt und sind schneller eingewachsen. Wir haben immer wieder gesehen, es Unterschiede, worauf Zellen sich lieber ansiedeln. Sie bevorzugen z.B. negative elektrische Oberflächen. Also kann man bestimmte Oberflächen besser so behandeln, dass sie negativ geladen sind, positiv mögen die meisten Zellen nicht. Bislang wussten wir nicht, wie dieses Signal für die Zellen umgesetzt werden kann, dass sie dann den Impuls bekommen z.B. in die richtige Richtung zu gehen.

Publikationen:
Nurdan Özkucur, Bing Song, Sharanya Bola, Lei Zhang, Brian Reid, Guo Fu, Richard H. W. Funk, Min Zhao: NHE3 phosphorylation via PKC marks the polarity and orientation of directionally migrating cells, in: Cellular and Molecular Life Sciences, DOI 10.1007/s00018-014-1632-1

Srikanth Perike, Nurdan Özkucur, Priyanka Sharma, Wolfgang Staroske, Robert Bläsche, Kathrin Barth, Richard HW Funk: Phospho-NHE3 forms membrane patches and interacts with beta-actin to sense and maintain constant direction during cell migration, in: Experimental Cell Research, DOI: 10.1016/j.yexcr.2014.03.005


Kontakt:
Medizinische Fakultät Carl Gustav Carus
der Technischen Universität Dresden
Institut für Anatomie
Prof. Dr. med. Richard H. W. Funk, Institutsdirektor
Tel. 0351 458 6110
E-Mail richard.funk@tu-dresden.de
Internet http://tu-dresden.de/med/ana Weitere Informationen:http://tu-dresden.de/die_tu_dresden/fakultaeten/medizinische_fakultaet/news/news...http://tu-dresden.de/med/ana
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