Während einer Krankheit kann sich die Steifheit oder Viskosität von Zellen verändern. Tom Evers demonstrierte dies, indem er erstmals solche Eigenschaften menschlicher Immunzellen maß. „Die Steifheit bestimmter Zellen könnte eine Möglichkeit sein, eine Diagnose zu stellen“, sagte Evers.
Am 26. März erhielt er seinen Doktortitel mit der Dissertation „Einzellige Mechanik für Krankheitsbiologie und Pharmakologie“. Ein resultierendes Artikel wurde veröffentlicht von Materialfortschritte.
Innerhalb eines Tumors wachsen Zellen in Gewebe dicht zusammen, wo sie nicht hingehören. Daher ist der Druck durch gepackte Zellen größer. Zellen reagieren darauf mit einer Verstärkung ihrer Struktur, so wie auch unsere Knochen stärker werden, wenn sie stärker beansprucht werden.
Die Steifheit der Zellen spielt wahrscheinlich auch eine Rolle bei undichten Blutgefäßen. Blutgefäßzellen können weniger steif oder sogar etwas flüssiger werden. Viren wie Ebola sind aufgrund des hämorrhagischen Fiebers, bei dem Blutgefäße undicht werden, tödlich. Evers ist es gelungen, die Steifigkeit von Zellen zu messen.
Als Student der Biomedizin fand Evers die Biophysik so interessant, dass er bereit war, dafür nach Sibirien zu gehen. „In Tomsk waren es manchmal -40 Grad, aber ich habe auch +40 Grad erlebt.“ Dort hatte er 2016/17 eine tolle Zeit, als er die erste Hälfte seines Doppelmasterstudiums abschloss. Die andere Hälfte war biomedizinischer Natur, damals in seiner Heimatstadt Maastricht. „In Leiden konnte ich beide Bereiche kombinieren.“
Ein Makrophage muss sich verformen können
Evers konnte seine abenteuerliche Seite im Labor von Alireza Mashaghi am LACDR gut zum Ausdruck bringen. „Wir untersuchen die mechanischen Eigenschaften von Zellen – ihre Steifheit und Viskosität. Diese sind unter anderem für die Immunantwort auf Krankheiten äußerst wichtig.“ Beispielsweise muss ein Makrophage, der einen Krankheitserreger verschlingt, in der Lage sein, sich reibungslos um ihn herum zu verformen.
Diese mechanischen Eigenschaften spielen auch bei Krebs eine Rolle. „In einem Tumor werden einige Zellen weicher und weniger steif. Diese Zellen können leichter durch den Körper wandern, was bei metastasierendem Krebs der Fall ist.“
Bei Leukämie, bei der monozytäre Immunzellen betroffen sind, verändern sich ihre mechanischen Eigenschaften. „Wenn wir das genau messen können, könnte die Steifheit solcher Zellen eine Möglichkeit sein, die Krankheit zu diagnostizieren.“ Die Zellsteifigkeit wird dann zum sogenannten Biomarker.
Evers arbeitete unter anderem mit optischen Pinzetten. Mit diesem Gerät können Wissenschaftler beispielsweise einen DNA-Strang festhalten, daran ziehen und dann messen, wie fest er aufgewickelt ist. „Ich habe die Pinzette so modifiziert, dass man eine Zelle zwischen zwei Glasperlen einklemmen kann. Indem wir die Perlen mit einer bestimmten Kraft zusammendrücken und die Dehnung beobachten, die die Zelle erfährt, bestimmen wir die Steifheit der Zelle.“
In der Nähe von Tumoren passiert mit Makrophagen etwas Seltsames. Während einige von ihnen wie erhofft Tumorzellen beseitigen, umgeben andere den Tumor und schützen die Tumorzellen tatsächlich. Evers wollte beweisen, ob diese verschiedenen Subtypen von Immunzellen an ihrer Steifheit erkennbar sind.
Er extrahierte Makrophagen aus gesundem Brustgewebe von Mäusen und tumorassoziierte Makrophagen aus Mäusen mit Brustkrebs. „Die Makrophagen, die den Tumor schützten, hatten eine höhere Steifigkeit.“
Ein neues Gebiet in der Biologie
„Mit unserer Mechanobiologie wollen wir ein neues Feld innerhalb der Biologie eröffnen“, sagt Evers. Bei der Untersuchung von Genen sprechen Biologen von Genomik. Wenn es um Proteine geht, nennt man es Proteomik. Die Erforschung des Stoffwechsels ist Metabolomik. Die Ergebnisse von Evers zeigen, dass es noch relevantere Aspekte gibt. „Die Mechanik fügt die Dimension mechanischer Eigenschaften wie Steifigkeit und Viskosität hinzu.“
Evers‘ Betreuer Alireza Mashaghi ist mit der Arbeit seines Doktoranden sehr zufrieden. Kandidat. „Er führte die Mechanik in das Forschungsgebiet der Immunologie ein und trug so zur Entstehung des Gebiets der Mechanoimmunologie bei. Es gelang ihm, Techniken anzuwenden, um die mechanischen Eigenschaften von Immunzellen während einer Krankheit zu messen.“
Das Abenteuer ist noch nicht vorbei. „Ich bleibe der Abteilung treu, jetzt als Postdoktorandin. Ich habe lange Zeit mit der Entwicklung der Technologie verbracht und die Ergebnisse kamen erst am Ende. Ich erforsche jetzt Krankheiten, bei denen Blutgefäße auslaufen, was auch so sein muss.“ mit den mechanischen Eigenschaften von Blutgefäßen zu tun haben.“
Viren wie Ebola sind aufgrund des hämorrhagischen Fiebers mit undichten Blutgefäßen tödlich. Dies hängt auch mit sich verändernden mechanischen Eigenschaften der Blutgefäßzellen zusammen. Es gibt also viel zu entdecken für den Einzelzell-Mechanobiologen Evers.
Mehr Informationen:
Tom MJ Evers et al., Einzelzellanalyse der Mechanik angeborener Immunzellen: eine Anwendung auf die Krebsimmunologie, Materialfortschritte (2024). DOI: 10.1039/D3MA01107K