Analyse zellulärer Lichtsignale
Eine Entzündung ist die Immunantwort des Körpers auf Gewebeschäden oder Verletzungen, bei dem chemische Substanzen an den Ort der Verletzung wandern und das umliegende Gewebe reparieren. Wird die Entzündung chronisch, kann es zu Gewebeschäden kommen, was bei vielen Zivilisationskrankheiten der Fall ist, von Asthma bis hin zur Arthrose. Transkriptionsfaktoren, die die Genexpression regulieren, kommt bei solchen Entzündungsprozessen eine wichtige Vermittlerrolle zu. Einige Proteine der NF-kB- Familie (nuclear factor-kappaB) regulieren dabei mehrere Schritte. Das EU-finanzierte Projekt "Role of nonlinear dynamics of NF-kB in inflammation" (NONLIN-KB) sollte NF-kB-Oszillationen in Zytoplasma und Kern vergleichen und dies in theoretischen Modellen darstellen. Für die experimentell induzierten und beobachteten Oszillationen wurde eine spezielle Bildgebungsmethode für NF-kB-fluoreszenzmarkierte Zellen entwickelt. Auf diese Weise kann die mikrofluidische Perfusion der Zellen mit verschiedenen biochemischen Faktoren mittels Bildgebung überwacht werden. Für die Quantifizierung der Reaktionen Hunderter von Zellen wurde eine spezialisierte Software entwickelt, deren Algorithmen auf Quantoren der nichtlinearen Dynamiktheorie basierten. Die beobachtete Dynamik wird dann mittels Zeitreihenanalyse beschrieben. Die experimentellen Beobachtungen konnten am vereinfachten Modell dreier regulatorischer Schichten genau reproduziert werden. Damit steht eine Methode zur Verfügung, um mögliche Mechanismen der NF-kB-Transkriptionsregulation zu berechnen. Mit diesen leistungsfähigen Methoden konnten die Forscher zeigen, dass die Schwingungen sehr viel komplexer sind als bislang vermutet. So können sie in regelmäßigen Abständen auftreten, aber auch spontan ohne vorherige Stimuli. Je nach Bedingung ist in den Zellen eine koordinierte Dynamik oder eine synchrone NF-kB-Oszillation zu beobachten. Bei periodischen Stimuli kann die Koordination zwischen einzelnen Zellen allerdings sehr heterogen sein. Beim Entzündungshemmer Dexamethason wurde der Effekt auf stimulusinduzierte Oszillationen untersucht. Das Medikament verändert nicht nur die Dynamik der Schwingungen, sondern auch das Transkriptionsprofil, was Dexamethason als Schalter prädestiniert, um Entzündungsreaktionen zu unterbinden. Das multidisziplinäre Projekt NONLIN-KB untersuchte mittels nichtlinearer Dynamik intrazelluläre räumliche und zeitliche Abweichungen bei der Regulierung eines Transkriptionsfaktors, der Entzündungsreaktionen vermittelt. Die Modelle liefern Einblick in stimulusinduzierte Veränderungen und eröffnen damit Möglichkeiten für neue therapeutische Zielstrukturen.
