Räumlich-orientierte Zellmigration und -adhärenz

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Adhäsion
2.1 Adhäsion in der Physik und in der Biologie
2.2 Rolle der Adhäsion
2.3 Wo und wie findet Adhäsion statt?
2.4 Funktion und Aufgabe der Adhäsion

3. Zellmigration.
3.1 Prozess
3.2 Einzelzellen und Zellverbände
3.3 2D- und 3D-Modell
3.4. Zweck der Zellmigration

4. Fazit

5. Glossar

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Heilungsverlauf einer Fersenoperation nach 2 Tagen, 15 Tagen, 20 Tagen, 6 Monaten 2

Abbildung 2: Die drei Arten von Zell-Zell-Verbindungen

Abbildung 3: Modell für die Bildung fokaler Adhäsion in Keratinozyten

Abbildung 4: Phasen der Adhäsion

Abbildung 5: Zellbewegung in Zeitlupe

Abbildung 6: Zellmigration und Adhäsion

Abbildung 7: Zellmigration und Kraftübertragung von Einzelzellen und Zellverbänden

Abbildung 8: vereinfachtes 2D-Modell zur Zellmigration

Abbildung 9: 3D-Modell zur Zellmigration

1. Einleitung

Der menschliche Körper besteht im Durchschnitt aus circa 37,2 Billionen Zellen, die alle unterschiedlich aufgebaut sind und verschiedene Aufgaben erfüllen. Zellen, wie die roten Blutzellen, versorgen die Organe mit Sauerstoff. Die weißen Blutzellen wirken als Abwehrkräfte, um den menschlichen Körper vor Fremdkörpern zu schützen, Ner- venzellen übertragen Informationen vom und zum Gehirn, usw. Damit alle diese ver- schiedenen Zellen ihre Funktion erfüllen können, müssen sie sich am richtigen Ort befinden. Dass dies wichtig ist, spüren wir sogar in unserem Alltag.

Wir als Menschen sind stets von Krankheiten und Verletzungen gefährdet. Unser Kör- per ist nicht nur sehr effizient und kann sich mit Energie versorgen, sondern besitzt die Fähigkeit sich zu verteidigen und sich selbst zu heilen. Abbildung 1 zeigt den Heilungs- verlauf einer üblichen Wunde.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Heilungsverlauf einer Fersenoperation nach 2 Tagen, 15 Tagen, 20 Tagen, 6 Monaten Quelle: http s://www .lecturio.de/lexikon /wundheilung-wundbehandlung-und-wundheilung [2 6.09.18].

Wenn wir diese über einen bestimmten Zeitraum betrachten, sehen wir, wie sich die Wunde langsam schließt und heilt. Für diesen Prozess ist die Zusammenarbeit von mehreren Zellen erforderlich, die das beschädigte Gewebe verschließen und tote Zel- len mit neuen ersetzen. Dies ist möglich durch die sogenannte Zellmigration.

Um Zellmigration zu verstehen, muss man sich vorerst mit Adhäsion in der Biologie befassen. Die folgende Arbeit behandelt das Thema Adhäsion und Zellmigration. Zu- nächst widmet sich die Arbeit der Definition von Adhäsion und wie sich der Begriff in den Bereichen Biologie und Physik unterscheidet. Danach wird die Rolle von Adhäsion und Zelladhärenz erläutert. Abschließend wird sowohl erklärt, welche Zellen sich ad- härieren als auch die Aufgabe und Funktion der Zelladhäsion.

2. Adhäsion

2.1 Adhäsion in der Physik und in der Biologie

In der Physik wird der Begriff „Adhäsion“ als die Haftung verschiedener Körper anei- nander definiert. Für diese Haftung sind verschiedene Kräfte wie Reibung, Elektrosta- tik, Polarisierung, Dispersion und Van-der-Waals-Kräfte verantwortlich (Briscoe und Tabor 1972). Zwei Beispiele dafür sind die Haftung von Kreide an der Tafel oder eines Wassertropfens am Glas.

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Abbildung 2: Adhäsionskräfte am Beispiel von Kreide an der Tafel.

Quelle: Eigene Darstellung.

Die Oberfläche einer Tafel ist rau. Bei der Reibung von Kreide an einer Tafel hinterlässt die Kreide kleine Stückchen, die sich zwischen den Lücken an der Oberfläche der Tafel anheften. Hier wirkt die Reibungskraft und erfüllt zwei Funktionen, erstens die Kreidestück- chen zu trennen und zweitens als Ge- genkraft zur Schwerkraft der Erde zu wirken. Die Summe aller Kräfte ist dann gleich null (siehe Gleichung 1). Daraus folgt laut des zweiten newtonschen Ge- setzes, dass die Kreideteilchen so lang an der Tafel haften bleibt, bis eine neue Kraft darauf wirkt (siehe Abbildung 2)(Leite et al. 2012).

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Gleichung 1: Summe der Kräfte.

Beim Beispiel von Wassertropen am Glas ist Adhäsion eine inter- molekulare Kraft, die dafür sorgt, dass sich die Wasserteilchen an die Moleküle des Glases anhef- ten. Wasser an sich tendiert dazu, an anderen Stoffen wie Glas zu kleben, da die Glasteil- chen polarisiert sind und Was- sermoleküle anziehen. Die La- dungsunterschiede zwischen den Wassermolekülen und den Teilchen eines anderen Stoffs verstärken die Bindung. Auf- grund der Adhäsion bildet Wasser eine konkave Form im Glas. Adhäsion muss auch als Gegenkraft zur Kohäsion wirken, welche die Wasser- moleküle zusammenhält (siehe Abbildung 3) (Lernhelfer 2010).

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Abbildung 3: Randkrümmung bei Wasser in einem

Messzylinder.

Quelle: Lernhelfer 2010.

In der Biologie dagegen ist der Begriff als Zelladhäsion bekannt und bezeichnet die Bindung von Zellen an andere Zellen oder an ein Substrat über Adhäsive (membran- gebundene Moleküle) (Khalili und Ahmad 2015).

Man unterscheidet funktionell zwischen drei Arten von Zell-Zell-Verbindungen. Die erste Art sind die sog. adhering junction, die für den mechanischen Zusammenhalt von Zellen bzw. Zellverbänden sorgen. Sie sind dafür verantwortlich, dass die Zelle ihre Form behält. Die zweite Art nennt sich tight junction. Es sind transmembrane Proteine, die im Epithelgewebe existieren. Sie gewährleisten eine Abdichtung des inneren Mili- eus gegenüber dem Außenmedium und wirken gegen die Leckage der Zellflüssigkeit nach außen. Die dritte Art sind die gap junction, sie stellen direkte Verbindungen für die Übertragung von elektrischen und chemischen Signalen zwischen Zellen dar. Durch ihre selektive Permeabilität ermöglichen sie den Transport von Ionen und Mo- lekülen zwischen Zellen. Dies wird sowohl durch den pH-Wert als auch durch die Kal- zium Ionen gesteuert. Die Gap-Junction-Kanäle bestehen aus zwei Connexons, die wiederum aus Connexin-Molekülen bestehen. Erst wenn zwei Connexons koaxial aus- gerichtet sind, findet ein Molekülaustausch zwischen zwei benachbarten Zellen statt.

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Abbildung 2: Die drei Arten von Zell-Zell-Verbindungen.

Quelle:"http://www.spektrum.de/lexikon/biologie/zelladhaesion/71545 [10.07.2018].

Zusätzlich enthält die Zelle die sog. Desmosomen. Das sind Zellstrukturen, die für Widerstand gegen mechanische Spannung sorgen. Abbildung 4 veranschaulicht dies anhand von Zell-Zell-Verbindungen zwischen Dünndarmepithelzellen (Huber et al. 2013).

2.2 Rolle der Adhäsion

Zelladhäsion spielt eine sehr wichtige Rolle für die Kommunikation und Regulation der Zelle sowie auch für die Entwicklung und Erhaltung von Gewebe. Sie ermöglicht die Bewegung von Zellen innerhalb eines Organismus. Außerdem ist Adhäsion eine Vo- raussetzung für die Bildung multizellulärer Organismen. Darüber hinaus ist Zelladhä- sion wichtig für die embryonische Entwicklung, da sie die Form der Zelle und die Zell- polarität in Relation zu benachbarten Zellen und der extrazellulären Matrix etabliert (Shawky und Davidson 2015).

2.3 Wo und wie findet Adhäsion statt?

Adhäsion findet bei vielen, aber nicht bei allen Zellen statt. Zellen, wie z. B. die roten Blutkörperchen, adhärieren nicht, um eine Blutgerinnung zu vermeiden. Adhäsion tritt ein, sobald eine Zelle in Kontakt mit einer anderen Zelle oder einem Medium kommt. Der Prozess findet folgendermaßen statt: Die Adhäsionsstellen werden durch Trans- membranproteine bzw. Integrins gebildet, um die Zelle an die Extrazellularmatrix oder an Adhäsionsmoleküle anderer Zellen zu ankern (Khalili und Ahmad 2015).

2.4 Funktion und Aufgabe der Adhäsion

Die Mikroumgebung einer Zelle besteht aus der Extrazellularmatrix, anderen Zellen und einem intrazellulären Medium. Ihre Gestaltung variiert in Abhängigkeit von dem Gewebe und der in-Vitro-Bedingungen. Wenn eine Zelle in Kontakt mit einem freizügi- gen Medium kommt, bildet sie adhäsive Strukturen, die die Eigenschaften des Medi- ums spüren und darauf entsprechend reagieren. Die Zelle kann zwei Arten von Infor- mation erkennen: chemische Signale von außen und die physikalischen Eigenschaften des Substrats. Chemische Signale wie niedermolekulare Verbindungen und lösliche Faktoren werden über spezifische Rezeptoren interpretiert. Die physikalischen Eigen- schaften eines Substrats umfassen die Steifheit, Topologie, Elastizität, Durchlässig- keit, Verdichtung und Zugkraft. Physikalische Attribute der Umgebung beeinflussen das Verhalten der Zelle. Muskelzellen zum Beispiel benötigen muskelähnliche Steif-heit, um Myotuben zu bilden (Pascalis und Etienne-Manneville 2017).

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Abbildung 3: Modell für die Bildung fokaler Adhäsion in Keratinozyten. Quelle: Schäfer et al. 2009, S. 1222.

Die Initialisierung der Ad- häsion beginnt mit einer Interaktion zwischen der Zelle und ihrer Umgebung. Die Zelle spürt die Signale des Mediums und interpre- tiert den physikalischen Reiz über mechanische Sensoren. Dies geschieht, indem die Zelle einen Ka- nal öffnet, ein Protein dehnt und Bindungsorte aufdeckt oder/und bioche- mische Signale induziert.Für die Adhäsion be findensich vorne an der Zelle dünne fingerähnliche Membranerweiterungen, die als Filopo- dien bezeichnet werden. Diese bestehen aus parallelen Komplexen bzw. Aktin-Fila- menten, die sich aus mehreren Proteinen zusammensetzen, welche sich in Richtung der Bewegung strecken. An diesen Filamenten gibt es VASP-Proteine. Ihre Aufgabe ist es, einen passenden Ort für die Adhäsion zu finden, und das Wachsen der Filopo- dien zu kontrollieren.

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