Einem Forschungsteam bestehend aus Professor Dong Sung Kim, Professor Anna Lee und Dr. Jaeseung Youn von der Fakultät für Maschinenbau der POSTECH ist es gelungen, die Struktur von Falten in biologischem Gewebe in vitro nachzubilden und die Mechanismen hinter ihrer Entstehung aufzudecken. Ihre Ergebnisse waren veröffentlicht am 19. August in der Zeitschrift Naturkommunikation.
Während Falten oft mit Hautalterung in Verbindung gebracht werden, weisen auch viele Organe und Gewebe, darunter Gehirn, Magen und Darm, ausgeprägte Faltenmuster auf. Diese Strukturen spielen eine Schlüsselrolle bei der Regulierung des Zellzustands und der Zelldifferenzierung und tragen zu den physiologischen Funktionen jedes Organs bei.
Das Verständnis, wie sich biologisches Gewebe faltet und Falten bildet, ist entscheidend, um die Komplexität lebender Organismen jenseits kosmetischer Aspekte zu verstehen. Dieses Wissen kann für die Weiterentwicklung der Forschung in Bereichen wie Hautalterung, regenerative Therapien und Embryologie von zentraler Bedeutung sein.
Trotz der Bedeutung biologischer Faltenstrukturen stützte sich ein Großteil der Forschung auf diesem Gebiet auf Tiermodelle wie Fruchtfliegen, Mäuse und Hühner, da die Nachbildung der Faltenbildung in vitro nur begrenzt möglich ist. Daher sind die detaillierten Prozesse, die der Faltenbildung in lebendem Gewebe zugrunde liegen, weitgehend unbekannt.
Das Team von Professor Dong Sung Kim überwand diese Einschränkung, indem es ein Epithelgewebemodell entwickelte, das ausschließlich aus menschlichen Epithelzellen und extrazellulärer Matrix (ECM) besteht. Durch die Kombination dieses Modells mit einem Gerät, das präzise Druckkräfte ausüben kann, konnten sie erfolgreich Faltenstrukturen in vitro nachbilden und beobachten, die typischerweise im Darm, in der Haut und in anderen Geweben in vivo zu sehen sind.
Dieser Durchbruch ermöglichte es ihnen erstmals, sowohl die hierarchische Verformung einer einzelnen tiefen Falte durch eine starke Druckkraft als auch die Bildung zahlreicher kleiner Falten bei leichterer Kompression zu replizieren.
Das Team entdeckte außerdem, dass Faktoren wie die poröse Struktur der darunter liegenden ECM, Dehydration und die auf die Epithelschicht ausgeübte Druckkraft für den Prozess der Faltenbildung entscheidend sind. Ihre Experimente zeigten, dass Druckkräfte, die die Epithelzellschicht verformen, mechanische Instabilität innerhalb der ECM-Schicht verursachen, was zur Bildung von Falten führt.
Darüber hinaus stellten sie fest, dass die Dehydration der ECM-Schicht ein Schlüsselfaktor bei der Faltenbildung ist. Diese Beobachtungen spiegelten genau die Auswirkungen alternder Haut wider, bei der die Dehydration der darunter liegenden Gewebeschicht zur Faltenbildung führt, und lieferten ein mechanobiologisches Modell zum Verständnis der Faltenbildung.
Professor Dong Sung Kim sagte: „Wir haben eine Plattform entwickelt, die verschiedene Faltenstrukturen in lebendem Gewebe nachbilden kann, ohne dass Tierversuche erforderlich sind. Diese Plattform ermöglicht Echtzeit-Bildgebung und detaillierte Beobachtung der Faltenbildung auf Zell- und Gewebeebene, Prozesse, die in herkömmlichen Tiermodellen nur schwer zu erfassen sind. Sie bietet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in Bereichen wie Embryologie, Biomedizintechnik, Kosmetik und mehr.“
Weitere Informationen:
Jaeseung Youn et al., Epithelfaltenbildung im Gewebemaßstab in vitro und Übergang von der Falte zur Falte, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-51437-z