Untersuchung intrazellulärer Kalzium-Signale bei zellmechanischen Prozessen

Abstract

Zellen stehen in ständiger mechanischer Kommunikation mit ihrer Umgebung. So können sie extrazelluläre Reize wahrnehmen und verarbeiten sowie selbst Kräfte generieren und auf ihre Umwelt übertragen. Hierzu müssen Zellen in der Lage sein biophysikalische und biochemische Signale ineinander umzuwandeln. Bei dieser, als Mechanotransduktion bezeichneten, Übersetzung spielt Kalzium als sekundärer Botenstoff eine essentielle Rolle. <br /> Kalzium ist in der Zelle bei der Vermittlung einer Vielzahl verschiedener Informationen beteiligt, weshalb es einer komplexen räumlichen sowie zeitlichen Regulation seiner Signalgebung bedarf. Wie sich diese Koordination bei zellmechanischen Prozessen gestaltet ist derzeit jedoch kaum verstanden. In dieser Arbeit wurden daher intrazelluläre Kalzium-Signale bei verschiedenen mechanischen Prozessen hinsichtlich ihrer raumzeitlichen Aspekte analysiert. Hierbei handelte es sich im Speziellen um die quantitative Analyse zyklisch auftretender Kalzium-Signale bei der Erkennung der Substratsteifigkeit von Endothelzellen sowie um die räumlich und zeitliche hochaufgelöste, korrelative Analyse von Kalzium-Signal und Kontraktion embryonaler Herzmuskelzellen. Hierzu wurde im Rahmen dieser Arbeit zunächst ein mikroskopischer Aufbau realisiert, der eine simultane Zweikanalmessung mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung ermöglichte. Ferner wurden verschiedene Bild- und Datenanalyseverfahren entwickelt. <br /> Für humane Endothelzellen der Nabelschnurvene konnte hier ein klarer Zusammenhang zwischen der Häufigkeit, mit der Kalzium-Signale auftreten, und der Steifigkeit der Umgebung der Zellen nachgewiesen werden. Desweiteren deuten erste inhibitorische Versuche darauf hin, dass der krafterzeugende Apparat der Zellen einen Einfluss auf die Generierung dieser Kalzium-Signale haben kann. <br /> Für pränatale, kardiale Myozyten konnten räumlich wie auch zeitlich heterogene Kalzium Signalverläufe aufgezeigt werden. Zudem konnte durch die hierfür erstellten Bildanalyseverfahren das raumzeitliche Zusammenspiel zwischen Kalzium-Signal und Zellkontraktion während der elektromechanischen Kopplung analysiert werden. Hierdurch war es möglich eine Abhängigkeit des zeitlichen Verlaufs dieser Kopplung sowohl zur Kontraktionsfrequenz als auch der Zellmorphologie und Organisation der Myofibrillen nachzuweisen. Desweiteren belegen erste Experimente, dass mit den hier erstellten Verfahren auch hochaufgelöste, korrelative Untersuchungen von Zell-Zell-Interaktionen möglich sind.