Detailansicht

Forschungstyp
Drittmittelprojekt
Profillinie
Informationssysteme
Bereich
Fakultät Informatik/Mathematik
Titel
AFM-Simulation biologischer Zellen (EUProfil)
Kurzfassung

In den letzten Jahren hat sich die Zellmechanik zu einem aufstrebenden neuen Forschungsgebiet entwickelt, welches für Biologie und Medizin von immer größerer Bedeutung wird. Beispielsweise kann durch Messung der Elastizität, Viskosität und Oberflächenspannung einer Zelle, ihr Zelltyp und ihr Gesundheitszustand ermittelt werden. Messungen dieser mechanischen Parameter haben daher das Potenzial, die Diagnostik und Therapie von Krankheiten zu verbessern.
Das weltweite Standard-Messverfahren der Zellmechanik ist die Atomic Force Microscopy (AFM), bei der die Zelle mithilfe einer mikroskopisch kleinen Kugel (Indenter) eingedrückt und die dabei aufgewandte Kraft gemessen wird. Geräte für diese Methode findet man heutzutage weltweit in fast jedem Labor für Biophysik. Die Schwierigkeit bei diesem Verfahren besteht jedoch in der Auswertung der Messergebnisse. Man erhält eine Kurve, die die Abhängigkeit der Eindringtiefe von der Kraft zeigt. Um davon auf die Eigenschaften der Zelle zu schließen, braucht es Simulationen, die das Verfahren nachbilden und ebenfalls Kraft-Eindringtiefe-Kurven liefern. Ein Vergleich der Messdaten mit denen aus den Simulationen gibt dann Aufschluss über die Zelleigenschaften.

Prof. Aland gelang vor Kurzem die Formulierung eines mathematischen Simulationsmodells, dass alle relevanten zellmechanischen Eigenschaften beinhaltet und nun genutzt werden soll, um AFM-Messungen zu simulieren. Bisherige Modelle sind auf die Elastizität der Zellen limitiert, wodurch sich aus AFM-Messungen nur dieser einzige Parameter (der Elastizitätsmodul) bestimmen lässt.
Die Simulationen mit dem neuen Modell beinhalten zusätzlich noch die Oberflächenspannung und Viskosität der Zelle. Durch Abgleich der Simulationsergebnisse mit experimentellen AFM-Daten können somit alle drei zellmechanischen Parameter ermittelt werden, was einen bedeutenden Fortschritt für die Biophysik darstellt. In Kooperation mit dem AFM-Geräte-Hersteller JPK Instruments soll dieses Verfahren entwickelt, validiert und zur Marktreife gebracht werden. JPK Instruments gehört zu den global führenden Produzenten und ist mit einer Zweigstelle in Dresden lokal ansässig. Eine öffentliche Publikation der Projektergebnisse soll es außerdem Biophysik-Laboren weltweit ermöglichen, das Verfahren zu nutzen.
Die hier vorgeschlagene Kombination von neuesten mathematischen Modellen, Hochleistungsrechnen und Experimenten sollte somit einen bedeutenden Beitrag für das aufstrebende Forschungsgebiet der Zellmechanik leisten. Jeder einzelne der ermittelten mechanischen Parameter einer Zelle gibt neue Aufschlüsse über ihren Aufbau und die in ihr ablaufenden Prozesse, die sich anders kaum beobachten lassen. Die damit gewonnenen Einblicke können letztlich helfen, Krankheiten zu diagnostizieren und medizinische Behandlungen zu verbessern.

Projektleiter

Prof. Dr. rer. nat. Sebastian Aland
sebastian.aland@htw-dresden.de

Teilprojektleiter/Mitarbeiter

Prof. Dr.-Ing. Eckehard Kullig
eckehard.kullig@htw-dresden.de

Förderung
SMWK
Kooperationspartner
JPK Instruments
Industriebeteiligung
Ja
Internationale Kooperation
Nein
Laufzeit vom
01.04.2019
Laufzeit bis
31.12.2021