Universität zu Köln

Epithelgewebe sind ständiger Abnutzung ausgesetzt, was einen gut abgestimmten Mechanismus zur Erneuerung erfordert, um die strukturelle Integrität und funktionelle Homöostase aufrechtzuerhalten. Zellverlust wird durch eine genau abgestimmten Kaskade von Zellteilung und Differenzierung ausgeglichen. Stammzellen stehen am Beginn dieser Kaskade und bringen differenzierte Nachkommen hervor. Jedoch bleibt unklar, wie Zellteilung und Differenzierung reguliert werden und was die Organisation von Zellen in Geweben beeinflusst. Mechanische Rückkopplung auf das Wachstum ist ein möglicher Kontrollmechanismus der Zellteilung. In dieser Arbeit untersuchen wir in zwei unterschiedlichen Differenzierungsmodellen, wie das Zusammenspiel interzellulärer mechanischer Wechselwirkungen und deren Rückkopplung auf das Zellwachstum die Dynamik und Selbstorganisation von Stammzellen in Geweben beeinflusst. Wir verwenden ein teilchenbasiertes Simulationsmodell, in dem jede Zelle durch zwei Punktteilchen dargestellt wird, auf die eine aktive Wachstumskraft einwirkt. Die Zellteilung wird durchgeführt, wenn der Teilchenabstand einen Grenzwert überschreitet, während die Apoptose stochastisch abläuft. Zellen wechselwirken durch ein Lennard-Jones ähnliches Potential miteinander wie weiche, aneinander haftende Kugeln, und die dissipative Teilchendynamik berücksichtigt Fluktuationen und Energieverlust. Zell-Zell-Wechselwirkungen bilden in Verbindung mit dem aktiven Wachstum einen expliziten mechanischen Rückkopplungsmechanismus für das Zellwachstum und regulieren dadurch implizit die Rate der Zellteilung. Zunächst untersuchen wir das Lehrbuchmodell zur Erneuerung von Epithelgeweben, in dem sich Stammzellen asymmetrisch teilen und dabei je eine Stammzelle sowie eine kurzlebige (transiente) proliferierende Zelle hervorbringen. Letztere durchläuft eine endliche Anzahl symmetrischer Teilungen, wodurch die Gesamtzellmasse zunimmt, bevor sie abschließend differenziert und verloren geht. Wir beobachten eine superdiffusive Bewegung der Stammzellen, die durch die Vervielfältigung ihrer Nachkommen angetrieben wird. Darüber hinaus sind Stammzellen räumlich voneinander getrennt und von ihren Nachkommen in kleinen, begrenzten Wachstums-Einheiten umgeben. Die räumliche Trennung der Stammzellen wird durch eine effektive Abstoßung der Stammzellen verursacht, welche von den sich teilenden Tochterzellen erzeugt wird. Die statische Struktur kann quantitativ mithilfe einer Analogie des effektiven Gleichgewichts beschrieben werden, in der Stammzellpaare über ein repulsives exponentiell abfallendes Potential wechselwirken, wobei die charakteristische Längenskala durch die Anzahl der Teilungszyklen von transienten Zellen bestimmt wird. In einem zweiten Differenzierungsmodell betrachten wir die symmetrische Selbsterneuerung von Stammzellen, was eine dynamische Anpassung der Stammzellzahl ermöglicht. Die Kombination von konstanten Differenzierungsraten und implizit durch mechanische Rückkopplung gesteuerten Teilungsraten führt zu einer klar festgelegten Zusammensetzung des Gewebes. Wir entwickeln eine analytische Theorie, die die Stabilität der Population und deren globale Zusammensetzung über einen weiten Parameterbereich hinweg beschreibt, einschließlich Übergängen zwischen Zustanden, in denen Stammzellen überwiegen, spärlich vorkommen, oder ihr Vorkommen erschöpft ist. Wir konzentrieren uns weiter auf den für die meisten Epithelgewebe biologisch relevanten Zustand: eine geringe, sich langsam teilende Stammzellpopulation. In diesem Zustand zeigen Simulationen, dass sich Stammzellen in stabilen, räumlich begrenzten Nischen mit einer kleinen, aber endlichen Anzahl organisieren. Transiente Zellen füllen stammzellfreie Regionen wieder auf, können jedoch keine unbegrenzte Klon-Ausbreitung erreichen, während Stammzellen als langfristige Quelle für die Erneuerung des Gewebes erhalten bleiben. Um die Anpassungsreaktion von sich selbst erneuernden Geweben zu messen, entwickeln wir einen neuartigen Ansatz zur Messung der mechanischen Reaktion anhand von Fluktuationen in der Zellzahl. Ausgehend von mechanischer Rückkopplung bilden wir die Wachstumsdynamik eines zellulären Gewebes auf einen Ornstein-Uhlenbeck-ähnlichen Prozess ab, um die Fluktuationsdynamik der Zellpopulation zu beschreiben. Daraus leiten wir eine Reihe statischer und dynamischer Observablen ab, um die Fluktuations-Antwort-Eigenschaften des Gewebes zu bestimmen. Die Analyse von Simulationen des Zwei-Teilchen-Wachstums (2PG) zeigt, dass dieser Ansatz gut geeignet ist, um die Anpassungsreaktion des Gewebes mittels Fluktuationen um den stationären Gleichgewichtszustand zu messen. Darüber hinaus zeigen wir, dass diese Analyse es ermöglicht, zusätzliche Komplexität eines Systems zu identifizieren, wie beispielsweise einen Gedächtniseffekt, der dem Kontrollmechanismus des Zellwachstums zugrunde liegt. In einem weiteren Simulationsmodell, das verschiedene Aspekte des Zellwachstums vereint, ermöglicht unsere Analyse die Messung der Anpassungsreaktion, was zuvor nicht möglich war. Im Vergleich zum 2PG-Modell finden wir noch stärkere Gedächtniseffekte, die möglicherweise auch in realen biologischen Geweben vorhanden sind. Zusammenfassend zeigen wir, wie die mikroskopischen Details des Zellschicksals und die mechanischen Zell-Zell-Wechselwirkungen die Organisation von Stammzellen prägen. Wir stellen neuartige Analysemethoden vor, mit denen sich die räumlichen und zeitlichen Muster und Dynamik in Geweben quantifizieren lassen. Unsere Ergebnisse lassen erkennen, dass diese Methoden zukünftige Experimente unterstützen und detailliertere Einblicke in die zugrunde liegenden Mechanismen mehrzelliger Gewebe liefern können.

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