Zell-Feng Shui: Wie die Einheit von physikalischen und biochemischen Reizen gesunde Organismen ermöglicht

Eine neue Forschungsgruppe der TU Dresden untersucht, wie Stammzellen während der Entwicklung und Aufrechterhaltung des Nerven- und Herz-Kreislauf-Systems mechanische Kräfte und elektrische Signale berücksichtigen.

Dr. Adele Doyle, Assistenzprofessorin an der University of California, Santa Barbara, USA, ist seit Juli 2021 Mitglied des Exzellenzclusters Physics of Life (PoL) und leitet die Forschungsgruppe Mechanobiologie von Stammzellen an der TU Dresden. Mit Ansätzen aus den Ingenieurwissenschaften, der Biologie und der Informatik untersucht ihre Gruppe, wie molekulare Schaltkreise spezialisierte Mechano-Signaltransduktion ermöglichen. Das interdisziplinäre Team erforscht, wie Stammzellen während der Entwicklung des Nerven- und Herz-Kreislauf-Systems lernen, auf mechanische Kräfte und elektrische Signale zu reagieren, und wie biophysikalische Signale Gesundheit oder Krankheit beeinflussen. Die Doyle-Gruppe sucht nach quantitativen Erkenntnissen, um die Entwicklung von Zelltherapien und Therapien der regenerativen Medizin für neurale und vaskuläre Anwendungen zu unterstützen. Das Doyle-Labor ist am Zentrum für Regenerative Therapien Dresden (CRTD) der TU Dresden und am Zentrum für Systembiologie Dresden (CSBD) angesiedelt.

Zellen in lebenden Organismen werden von physikalischen Reizen wie mechanischen Kräften, Materialeigenschaften, elektrischen Reizen und chemischen Signalen beeinflusst. Je nach Funktion und Umgebung der Zellen erfahren sie verschiedene Materialeigenschaften und mechanische Krafteinwirkungen in unterschiedlicher Stärke und Dynamik. „Die Fähigkeit der Zellen, auf der Grundlage lokaler physikalischer Signale zuverlässige Entscheidungen zu treffen, ist für die Entwicklung eines Organismus und die Aufrechterhaltung der Gesundheit von wesentlicher Bedeutung. Im Krankheitsfall können sich die normalen physikalischen Reize verändern, oder die Zellen können die Fähigkeit verlieren, angemessen auf lokale physikalische Reize zu reagieren. Bei Krebs beispielsweise führen Veränderungen in der sogenannten Steifigkeit des Gewebes zu unerwünschter Zellwucherung und -bewegung. Die Art und Weise, wie Zellen die physikalischen Eigenschaften ihrer Umgebung wahrnehmen, wird als Mechano-Signaltransduktion bezeichnet, ein Prozess, der noch nicht sehr gut verstanden ist“, erklärt Gruppenleiterin Adele Doyle.

Das Doyle-Labor möchte dazu beitragen, dass Zelltherapien und Therapien der regenerativen Medizin für Patienten, die an schwerwiegenden, chronischen Krankheiten leiden, mehr und mehr zur Standardversorgung werden. Die Expertise des Teams liegt vor allem im Bereich der neuronalen und kardiovaskulären Systeme: Ein weiterer Schwerpunkt sind die Bedürfnisse der Patienten. „Letztlich ist es unser Ziel, unsere Forschung in den klinischen Kontext zu überführen und die aus der Grundlagenforschung gewonnenen Erkenntnisse in klinische Therapiekonzepte einfließen zu lassen. Es macht Spaß, in den verschiedenen Phasen dieses Prozesses mit vielen verschiedenen Gruppen zusammenzuarbeiten, unter anderem aus dem akademischen Bereich, der Industrie und der Medizin“, sagt Dr. Doyle.

Um zu untersuchen, wie sich die Mechano-Signaltransduktion auf die erfolgreiche Embryonalentwicklung und die Homöostase, d. h. den Gleichgewichtszustand des Organismus auswirkt, entwerfen Adele Doyle und ihre Forschungsgruppe experimentelle Methoden, mit denen sie präzisere und empfindlichere molekulare Messungen in lebenden Zellen vornehmen können. Zudem entwickeln sie neuartige computergestützte Werkzeuge zur Analyse experimenteller Daten, um zu modellieren, wie Zellen Entscheidungen treffen. Sie arbeiten auch mit Ingenieur- und Mikrofabrikationsgruppen zusammen, um zu untersuchen, wie kontrollierte physikalische Einwirkungen das Zellverhalten beeinflussen, etwa im Falle von traumatischen Hirnverletzungen.

„Unsere Forschung befindet sich an der Schnittstelle zwischen physikalischen Wissenschaften, wie Ingenieurwesen und Physik, Naturwissenschaften, wie Chemie und Biologie sowie Medizin und Computerwissenschaften. Wir kombinieren drei Hauptaspekte: die Technologieentwicklung, die Mechanobiologie von Stammzellen und deren Tochterzellen und die elektrogene Signalübertragung im Nerven- und Herz-Kreislauf-System“, beschreibt Dr. Doyle. „Wir wollen herausfinden, wie physikalische Signale Veränderungen in zellinternen molekularen Schaltkreisen und folglich im Zellverhalten auslösen und damit eine Brücke zwischen den Disziplinen schlagen. So initiieren wir beispielsweise Kooperationen, um die Anwendung von Werkzeugen aus der Physik und der Biologie zur Bewältigung ungelöster medizinischer Herausforderungen zu unterstützen, und nutzen Datenwissenschaft und -berechnung, um ein breites Spektrum an experimentellen Datensätzen zu integrieren und Erkenntnisse daraus zu gewinnen“, fügt Dr. Doyle hinzu.

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, ist ein reibungsloser Transfer von Wissen und Know-how innerhalb und zwischen Forschungsgruppen und Instituten unerlässlich. Das Exzellenzcluster Physics of Life (PoL) bildet ein Netzwerk zwischen den Disziplinen und widmet sich dieser Art der gruppen- und disziplinübergreifenden Forschung. Am PoL engagieren sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler für ein Umfeld, das die Forschung von den Grundlagen bis zur Anwendung unterstützt. Der Forschungsschwerpunkt von Dr. Doyle passt ideal zu diesem interdisziplinären Exzellenzcluster. Der Standort Dresden bietet mit seinen zahlreichen Forschungsinstituten im Bereich der Lebenswissenschaften und seiner lebendigen Unternehmenslandschaft ideale Voraussetzungen für solche Bestrebungen.

Adele Doyle erwarb ihren B.Sc. in Biomedizintechnik an der Washington University in St. Louis, USA Im Jahr 2010 promovierte sie in Biomedizintechnik am Georgia Institute of Technology & Emory University, USA. Anschließend forschte sie als Postdoktorandin an der Harvard University, USA. Seit 2013 arbeitete Doyle als Assistant Researcher (PI) am Neuroscience Research Institute und als Dozentin am Center for Bioengineering sowie seit 2019 als Assistant Professor am Department of Mechanical Engineering an der University of California Santa Barbara, USA. Seit dem 1. Juli 2021 leitet Adele Doyle die Forschungsgruppe Mechanobiologie der Stammzellen am Exzellenzcluster Physik des Lebens der TU Dresden.

Für weitere Informationen besuchen Sie die Website der Forschungsgruppe.

Über PoL – Exzellenzcluster Physics of Life

Das Exzellenzcluster Physik des Lebens (Physics of Life – PoL) der TU Dresden konzentriert sich auf die Gesetze der Physik, die der Organisation des Lebens in Molekülen, Zellen und Geweben zugrunde liegen. Am Cluster erforschen Expertinnen und Experten aus Physik, Biologie und Informatik gemeinsam, wie sich aktive Materie in vorgegebene Strukturen in Zellen und Geweben organisiert und damit Leben entsteht. PoL wird im Rahmen der Exzellenzstrategie durch die DFG gefördert und ist eine Kooperation zwischen Forschungsgruppen der TU Dresden und Forschungseinrichtungen des DRESDEN-concept-Verbundes, wie dem Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG), dem Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme (MPI-PKS), dem Leibniz-Institut für Polymerforschung (IPF) und dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). www.physics-of-life.tu-dresden.de