Barriere-Organe

Barriere-Organe bilden im Körper die Grenze zwischen dem Inneren des Körpers und der Außenwelt. Zu ihnen gehören die Haut, der Atemtrakt und der Magen-Darm-Trakt. Durch den direkten Kontakt mit der Außenwelt sind sie Haupteintrittspforte für Krankheitserreger, andererseits sind Lunge und Darm aber essentiell für den Stoffaustausch mit der Umwelt wie zum Beispiel durch die Aufnahme von Sauerstoff beziehungsweise von Nahrung. Daher können sie nicht wie eine undurchdringliche Mauer aufgebaut sein, sondern müssen den Stoffaustausch ermöglichen und gleichzeitig eine effektive Abwehr besitzen. Herauszufinden, wie diese ausgeklügelten Abwehrprozesse funktionieren und was bei Erkrankungen schief gelaufen ist, ist Ziel der Arbeitsgruppe.

 

Da bei Abwehrprozessen verschiedene sehr bewegliche Zellen beteiligt sind, verwenden wir mikroskopische Methoden, um ihre Dynamik sichtbar zu machen. Dadurch sind wir nicht darauf angewiesen, uns anhand einzelner „Schnappschüsse“ vorzustellen, was passiert. Wir können den Zellen bei der Arbeit zusehen. Hierzu verwenden wir zum einen Hochgeschwindigkeits-Videomikroskopie, um sehr schnelle Prozesse zu verfolgen, die in weniger als einer 1/10 Sekunde passieren. Dazu gehören die Flimmerhärchen der Zellen, die die Atemwege auskleiden, und mit ihrem kontinuierlichen Schlagen dazu dienen, Partikel aus den Atemwegen abzutransportieren. Zum anderen nutzen wir die Multiphotonenmikroskopie, bei der wir direkt in das Gewebe schauen können, um Zellen über Stunden beobachten zu können. Man kann damit Einblick in das komplexe Zusammenspiel der verschiedenen Zellen im Gewebe bekommen, die im Rahmen einer Abwehrreaktion zusammenarbeiten müssen. Neben diesen dynamischen mikroskopischen Methoden nutzen wir auch klassische licht- und elektronenmikroskopische Techniken. Sie geben wertvolle Informationen über die Struktur der Organe. Das Verständnis der Struktur ist unabdingbar, um die Ergebnisse der dynamischen Untersuchungen vollständig zu verstehen.

 

Abb. 1: Rasterelektronenmikroskopische Aufsicht auf die Epithelzellen der Atemwege der Maus mit Zilien tragenden und nicht Zilien tragenden Zellen. Das Schlagen der Zilien kann eingeatmete Stoffe aus den Atemwegen entfernen.

Ein Fokus unserer Arbeit liegt auf den Zellen der Barriere-Organe, die die Grenze zur Außenwelt bilden. Wir interessieren uns dafür, wie der Abtransport eingeatmeter Stoffe durch das Atemwegsepithel genau funktioniert (Abbildung 1). In einem anderen Projekt untersuchen wir, wie Kohlenstoffnanopartikel auf die Epithelzellen wirken. Dies ist wichtig, um mögliche toxische Effekte dieser Partikel zu verstehen und langfristig eine Risikoabschätzung für Menschen zu ermöglichen. Da die Epithelzellen in Darm und Atemwegen andauernd der Außenwelt ausgesetzt sind, möchten wir auch verstehen, wie kleinere Schäden im Epithel repariert werden. Dieses Interesse hat den Hintergrund, dass es Hinweise gibt, dass die Ursachen chronisch entzündlicher Erkrankungen in diesen Organen mit Störungen der Reparatur von Epithelschäden einhergehen.

 

Wenn es Erreger schaffen, die Epithelzellen zu überwinden, müssen sie schnell durch Zellen des Immunsystems abgewehrt werden. Diese Zellen sind unabdingbar für unser Überleben. Wir haben in den letzten Jahren die Multiphotonenmikroskopie so etabliert, dass wir den an einer Immunreaktion beteiligten Zellen bei ihrer Arbeit zusehen können (Abbildung 2).

 

Das Immunsystem kann sich nicht nur gegen Erreger, sondern auch gegen ungefährliche Stoffe wenden. Diesen Effekt sieht man bei Allergien. Diese fehlgeleitete Immunreaktion kann in den Atemwegen zu einem Asthma bronchiale führen. Obwohl seit langem untersucht, ist diese Erkrankung noch nicht wirklich gut verstanden. Wir haben durch Beobachtung von Zellen bei einer allergischen Immunreaktion bereits unerwartete zelluläre Interaktionen darstellen können und hoffen, dass dies zum Verständnis allergischer Immunreaktionen beiträgt.

 

Abb. 2: Das neuste der drei unserer Arbeitsgruppe zur Verfügung stehenden Multiphotonenmikroskope, das wir im Jahr 2013 über einen Großgeräteantrag bei der DFG finanzieren konnten und das wir mit dem Institut für Biomedizinische Optik betreiben.

Das große Potenzial der Mikroskopie sollte aber nicht nur in der Forschung genutzt werden, sondern auch Patienten direkt helfen. Daher arbeiten wir daran, mikroskopische Methoden so zu entwickeln, dass sie beim Menschen angewendet werden können. Wir hoffen, damit die Diagnostik von Erkrankungen der Lungen zu verbessern. Für unsere Arbeiten ist die enge Zusammenarbeit mit dem Institut für Biomedizinische Optik essentiell. Wir betreiben gemeinsam Mikroskope und profitieren enorm von der Kompetenz der Kollegen bei der Weiterentwicklung von mikroskopischen Methoden. Im Rahmen unserer inhaltlichen Fragestellungen kooperieren wir eng mit verschiedenen Arbeitsgruppen aus Lübeck, dem Forschungszentrum Borstel sowie dem In- und Ausland. Zusammen mit unseren Kollegen haben wir das Ziel, in den kommenden Jahren herauszufinden, welche Rolle die Epithelzellen von Barriere-Organen bei der Organisation von Immunantworten spielen und die Anwendung der von uns etablierten bildgebenden Verfahren im Menschen voranzutreiben. Langfristig hoffen wir, dass unsere Methoden dazu beitragen werden, basale Funktionsmechanismen von entzündlichen Erkrankungen aufzudecken. Wir hoffen, dass diese Erkenntnisse langfristig Erkrankungen an Barriere-Organen besser behandelbar machen.