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Endothelzellen im Scherfeld

 

Dipl.-Ing. Anette Runtemund

 

Die Gefäße des Lymph- und Herz-Kreislauf-Systems werden durch ein Monolayer von Endothelzellen (ECs) ausgekleidet. ECs besitzen vielfältige physiologische Funktionen: neben der Regulation der Permeabilität zwischen Blut und umgebenden Gewebe zählen hierzu sowohl die Blutgerinnung als auch die Transmigration von Leukozyten und die Regulation des Gefäßdurchmessers. In Abhängigkeit von ihrer anatomischen Lage sind Endothelzellen unterschiedlichen mechanischen Kräften ausgesetzt: zum einen Scherbeanspruchungen ausgelöst durch den Blutstrom sowie Dehnbeanspruchungen aufgrund der Wanddeformation, zum anderen die durch den Blutdruck (hydrostatischer Druck) hervorgerufenen Normalspannungen (Abb. 1). Diese mechanischen Belastungen werden durch die ECs in biochemische Signale transduziert (Mechanotransduktion), die an die unter den ECs in der Gefäßwand liegenden vaskulären glatten Muskelzellen übertragen werden.


Abb. 1: Links: Mechanische Belastungen und Endothelzellen an einer Arterienwand [Ohashi 2005]. Rechts: Schematische Darstellung des Bioreaktorsystems zur mechanischen Stimulation von Endothelzellen mittels strömungsinduzierter Scherspannung.

 

Allerdings ist das Verständnis der diesen Vorgängen zugrunde liegenden Mechanismen und insbesondere deren Modulation mittels Scherfeldern noch in den Anfängen. Die Kenntnis des Scherkrafteinflusses auf Endothelzellen sowie die gezielte Nutzung des Schereffektes auf Zellen und damit auf Stofftransportvorgänge, Genexpression, Signaltransduktion und Morphologie sind nicht nur in der Krankheitsätiologie (Lehre von den Ursachen der Krankheit) von hoher Bedeutung, sondern auch für Fortschritte in der funktionellen Endothelialisierung vaskulärer Implantate/Systeme. Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wird deshalb ein Bioreaktorsystem zur kontrollierten mechanischen Stimulation von Endothelzellen durch strömungsinduzierte Scherspannung entwickelt und optimiert. Zur Charakterisierung der Strömungs- und Transportvorgänge werden laserbasierte Methoden wie die Lichtinduzierte Fluoreszenz (LIF) und die Particle Image Velocimetry (PIV) an das Reaktorsystem adaptiert.