Räumlich-zeitliche Modellierung von Gewebetoxizität und Regeneration

Systembiologische Techniken zur Modellierung der Lebertoxizität ermöglichen die Identifizierung neuer Schlüsselmechanismen. Zum Beispiel konnten wir zeigen, dass die Orientierung von Hepatozyten entlang sinusoidaler Endothelzellen ein kritisches Organisationsprinzip darstellt, dessen Störung mit erheblichen funktionellen Konsequenzen einhergeht (Höhme et al., 2010).

Abb. 1: Rekonstruktion von Lebergewebe aus konfokalen Laserscans. Durch die simultane Färbung auf DPPVI (grün), ICAM (rot) und Nuklei (blau) (B) kann zunächst das Sinusoidalnetzwerk (E) und schließlich ein ganzes Leberläppchen rekonstruiert werden. Ein Vorteil dieser Technik der Rekonstruktion ist, dass mit den erhaltenen Daten weiter gerechnet werden kann. Zum Beispiel ist es möglich, zu ermitteln, welcher Prozentanteil der Hepatozytenoberfläche mit weiteren Hepatozyten oder mit sinusoidalen Endothelzellen in Kontakt steht. Durch diese und weitere Kenngrößen kann die Mikroarchitektur der Leber quantifiziert werden, um zum Beispiel toxische Einflüsse zu erkennen.

Abb. 2: Konventionelle Darstellung eines zentrilobulären toxischen Effekts durch CCl4 in der Leber einer Maus. Zwei Tage nach Intoxikation ist eine zentrale Nekrose als heller, klar demarkierter Bereich erkennbar. Nach vier Tagen wird die zentrale Nekrose kleiner und ist nach acht Tagen vollständig geschlossen. Nach zeitaufgelöster Bestimmung von Prozessparametern wie Proliferation, Zelltod und Zellzyklusparametern kann der Intoxikations- und Regenerationsprozess in einem räumlich-zeitlichen Modell (Video 1 und 2) analysiert werden.

Video 1: In dieses Modell wurden alle experimentell bestimmten Prozessparameter einprogrammiert. Allerdings fehlt den Hepatozyten der Prozessparameter „oriented cell division“ OCD, der es Tochterhepatozyten ermöglicht, sich unmittelbar nach der Mitose in Richtung des nahesten Sinusoids zu orientieren. Das Ergebnis ist eine Störung der Mikroarchitektur des Leberläppchens während der Regeneration.

Video 2: Regeneration mit „oriented cell division“. Erst durch Einführung dieses Prozessparameters gelingt die Modellierung des Regenerationsprozesses in einer Weise, dass er der experimentell bestimmten Situation der Leber in vivo entspricht.

Abb. 3: Experimentelle Validierung des im Modell identifizierten Mechanismus der „oriented cell division“. Nach Rekonstruktion regenerierender Lebergewebe konnte gezeigt werden, dass Tochterzellen nach der Mitose fast immer entlang des nahesten Sinusoids orientiert sind. Die Tochterzellen nach Zellteilung sind durch grüne Nuklei identifizierbar.

Video 3: Im Zeitrafferfilm von kokultivierten Hepatozyten und sinusoidalen Endothelzellen wird deutlich, dass Hepatozyten zu den Endothelzellen migrieren und bestrebt sind, die Kontaktfläche zu maximieren.

Die virtuelle Leber:
Allgemein verständliche Hintergrundinformationen zur Aufgabe der Leber und Lebererkrankung

Ausgewählte Publikationen

Stefan Höhme*, Marc Brulport*, Alexander Bauer, Essam Bedawy, Wiebke Schormann, Rolf Gebhardt, Sebastian Zellmer, Michael Schwarz, Ernesto Bockamp, Tobias Timmel, Jan G. Hengstler+, Dirk Drasdo+, Cell alignment along micro-vessels as order principle to restore tissue architecture during liver regeneration: from experiment to virtual tissues and back, in revision, PNAS, 2009.

Brulport M, Schormann W, Bauer A, Hermes M, Elsner C, Hammersen FJ, Beerheide W, Spitkovsky D, Härtig W, Nussler A, Horn LC, Edelmann J, Pelz-Ackermann O, Petersen J, Kamprad M, von Mach M, Lupp A, Zulewski H, Hengstler JG: Fate of extrahepatic human stem and precursor cells after transplantation into mouse livers. Hepatology 2007;46:861-70.

• In vitro Systeme mit Hepatozyten, Methodenentwicklung der Toxitätstestung
• Räumlich-zeitliche Modellierung von Gewebetoxizität und Regeneration
• Karzinogenese und Tumorentwicklung
• Konzeptuelle und methodische Innovationen für die Anwendung und Regulation