Mathematisches Modell sagt Zellverhalten voraus

Um zelluläre Prozesse erforschen zu können, haben Wissenschaftler der Universität Heidelberg (UH) eine spezielle Software entwickelt. Diese basiert auf einem mathematischen Modell und simuliert das Verhalten größerer Ansammlungen von Zellen in geometrischen Strukturen. Auch die Wundheilung, bei der die Hautzellen eine Lücke schließen müssen, ist Teil der Forschungsarbeit.

Die Untersuchung des Zellverhaltens ist eine der Aufgaben der modernen Lebenswissenschaften. Prof. Dr. Ulrich Schwarz und Dr. Philipp Allbert vom Institut für Theoretische Physik an der UH, beide auch am Bioquant-Zentrum der Ruperto Carola tätig, haben mit ihrer Entwicklung eine Lösung der Probleme gesucht, die bei der Kultivierung von Zellen außerhalb des Körpers auftreten. „Wer biologische Zellen schon einmal unter dem Mikroskop beobachtet hat, weiß, wie unberechenbar ihr Verhalten sein kann“, so Schwarz. „Auf einer herkömmlichen Kulturschale fehlt ihnen, anders als in ihrer natürlichen Umgebung im Körper, die Orientierung. Deshalb lassen sich aus ihrer Form und Bewegung bei bestimmten Fragestellungen der Forschung keine Regelmäßigkeiten ableiten.“

Mit einem speziellen Druckverfahren brachten die Wissenschaftler Proteine in Form von geometrischen Strukturen auf eine Unterlage auf, die einen Einfluss auf die Regelmäßigkeit von Zellform und -bewegung hat. Untersucht und ausgewertet wurde das Verhalten mit einem herkömmlichen Mikroskopieverfahren. Das Team um Schwarz unternahm anschließend eine mathematische Beschreibung. Albert entwickelte daraufhin eine Software, die unter Berücksichtigungen von Einzelzellen und Wechselwirkungen, das Verhalten größerer Ansammlungen von Zellen auf vorgegeben geometrischen Strukturen vorhersagen kann.

„Aus dem Zusammenspiel mehrerer Zellen entstehen oft überraschende und neuartige Verhaltensmuster wie die Bildung von Strömungen, Wirbeln und Brücken“, erklärt Albert. „Wie auch in physikalischen Systemen ist hier das Ganze mehr als die Summe der Teile. Unser Software-Paket kann ein solches Verhalten in sehr kurzer Zeit berechnen.“ Hautzellen beispielsweise überbrücken in einem Wundmodell die Lücke als Ensemble – dies tun sie allerdings nur, wenn eine Größe von etwa 200 Mikrometern nicht überschritten wird.