Die komplexe Maschinerie des Lebens

Roberto Cerbino: Zellgewebe ist eine Gemeinschaft von Zellen, die Funktionen erfüllt, die eine einzelne Zelle alleine nicht erfüllen könnte. Um das bildlich darzustellen, ziehe ich gerne die alte französische Zeichentrickserie "Es war einmal ... das Leben" heran und stelle mir eine mikroskopisch kleine Welt vor, in der eine Fülle an winzigen Einheiten, die Zellen heißen, nebeneinander existieren und harmonisch zusammenarbeiten, um die komplexe Maschinerie des Lebens zu schaffen.

Cerbino: Zellgewebe weist bestimmte physische Eigenschaften auf, wie Elastizität, Viskosität oder Dehnbarkeit, die verändert werden können – fast so wie bei jedem anderen Material. Diese Eigenschaften und die damit einhergehenden Phasenübergänge (z.B. Jamming und Unjamming, d.h. dichtes und lockeres Gewebe) machen Zellgewebe nicht nur zu einem biologischen Konstrukt, sondern auch zu einem Material, das mit physikalischen Methoden untersucht werden kann.

Cerbino: Dynamisch: Zellgewebe verändert sich ständig, wobei tote durch neue Zellen ersetzt werden. Es befindet sich in einem Zustand fortwährender Aktivität auf allen Ebenen.
Widerstandsfähig: Es kann ohne dramatische Folgen erheblichen Belastungen standhalten. Smart: Zellgewebe verfügt über Fähigkeiten zur Anpassung, Selbstregulierung und zur Reaktion auf externe Reize. Es kann Handlungen einleiten (z.B. sich selbst reparieren), um den Organismus zu schützen.

Cerbino: Weil uns das Fortschritte im Gesundheitswesen ermöglicht, von der Entwicklung von Behandlungsmöglichkeiten für Krankheiten bis hin zum Verständnis von Altern. Darüber hinaus geht es auch bei Themen wie Klonen und Gentechnik um Zellgewebe, weshalb es für ethische Debatten und Entscheidungen eine entscheidende Rolle spielt.

Cerbino: Ich glaube, die besondere Stärke von Zellgewebe liegt in seinem Verhalten als smartes weiches Material, das erstaunliche Selbstorganisations- und Regenerierungsfähigkeiten besitzt. Das Problem daran ist, dass wir noch immer nicht wissen, wie wir diese smarten Materialien im Labor nachbilden können.

Cerbino: Trotz aller bisherigen Fortschritte wissen wir immer noch nicht sehr viel über Zellgewebe. Wir müssen beispielsweise viel besser verstehen, wie Gewebe ihre mechanischen Eigenschaften steuern, um Funktionen wie Wundheilung und Embryogenese zu erfüllen. Denn wenn diese Steuerungsmechanismen nicht so funktionieren wie sie sollen, kann es pathologisch werden.

Cerbino: Sollten die laufenden Bemühungen, die Funktionsprinzipien von Zellgewebe zu entschlüsseln, zu steuern und zu imitieren, erfolgreich sein, ist eine Zukunft mit unendlichen Anwendungsmöglichkeiten denkbar. Zum Beispiel könnten wir beschädigte Organe und Gewebe ersetzen, Medikamente auf ethischere Art und Weise testen, die körperliche Leistung von Menschen verbessern und Krankheiten eindämmen. Viele dieser Ziele liegen allerdings noch in weiter Ferne, aber wir konnten in vielen Bereichen dank interdisziplinärer Forschung Riesenschritte setzen.

Cerbino: Wir erforschen derzeit das Zusammenspiel der physischen Eigenschaften von Gewebe und seine biologische Funktion. Im Speziellen konzentrieren wir uns darauf, wie das Wissen über die mechanischen Eigenschaften von Gewebe, wie Elastizität oder Viskosität und das kollektive Verhalten von Zellen zum Verstehen und zur Kontrolle von Krebs und Metastasen von Bedeutung sein können.

Tatsächlich genießen die Konzepte von Jamming und Unjamming seit kurzem auch Aufmerksamkeit in Bezug auf Zellgewebe, um Krebs zu erforschen. In einem sehr dichten (jammed) Zustand sind die Zellen in einem Gewebe sehr dicht beieinander, verhalten sich wie ein Festkörper und schränken damit Bewegung ein. Im Gegensatz dazu führt Unjamming das Gewebe in einen eher flüssigen Zustand über, wodurch die Zellen sich freier bewegen können. Das kann bei krebsartigem Gewebe oft beobachtet werden, wodurch Krebszellen in das sie umgebende Gewebe eindringen und metastasieren. Das beweist, dass Zellen die zugrunde liegende Physik steuern können.

Cerbino: Wir haben zwei Ziele im Sinn: Erstens möchten wir verstehen, wie Zellen und Gewebe mechanische Kräfte erkennen und darauf über verschiedene zeitliche und räumliche Maßstäbe hinweg reagieren. Das ist eine zentrale Frage mit deutlichen Folgen in der Biologie. Wenn wir dies verstehen, könnten wir künstliche Gewebe systematisch und fundiert gestalten und wesentliche Einsichten in Leiden, wie die Tumormetastase, gewinnen.
Zweitens wollen wir die einzigartigen, dynamischen und komplexen Eigenschaften von lebendem Gewebe erforschen, um mehr über neue physikalische Gesetze zu erfahren, die sich gänzlich von jenen unterscheiden, denen inerte Materialien (träge Materialien, die mit üblichen Reaktionspartnern wie Luft oder Wasser nicht oder kaum reagieren) im Gleichgewichtszustand folgen.

Cerbino: Das ist schwer vorherzusagen. Allerdings können Laborfleisch oder Leder aus dem Labor als eine Art künstliches Gewebe angesehen werden. Hier arbeiten mehrere Unternehmen an der Produktion von künstlichem Fleisch und Leder, die an bestimmte Eigenschaften angepasst werden können und so eine nachhaltige und tierfreie Alternative zu herkömmlichem Gewebe bieten.