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Mathematische Modelle erklären
Zellprozesse in Zusammenhang mit Krebs
Im menschlichen Körper sterben jeden Tag
rund zehn Milliarden Zellen. Das
kontrollierte Absterben der Zellen, auch
Apoptose genannt, ist ein wichtiger
physiologischer Prozess, durch den einzelne
Zellen zum Wohl des ganzen Organismus
abgetötet werden. Es handelt sich dabei um
Zellen, die alt, infiziert, potenziell
gefährlich sind oder einfach nicht länger
benötigt werden. Störungen des
kontrollierten Absterbens der Zellen sind an
der Entstehung zahlreicher Krankheiten wie
Krebs, Diabetes oder Alzheimer beteiligt. Um
ein besseres Verständnis für die komplexen
biologischen Prozesse der Apoptose zu
erhalten, nutzt die Forschergruppe um den
Leibniz-Preisträger Prof. Frank Allgöwer vom
Institut für Systemtheorie und
Regelungstechnik der Universität Stuttgart
(IST) Methoden der mathematischen
Modellierung und Analyse. Die
Wissenschaftler beschäftigen sich mit dem
noch jungen Forschungsgebiet der
systemtheoretischen Analyse von
Rückkopplungen innerhalb biologischer
Systeme.
Apoptose kann unter verschiedenen
Bedingungen ausgelöst werden: Durch
zellexterne Signalproteine, indem diese an
speziellen Rezeptoren in der Zellmembran
binden oder durch zellinterne Signale, wie
Schäden an der DNA. Beide Signale bewirken
die Aktivierung einer Kaskade von Enzymen.
Diese sogenannten Caspase-Enzyme werden in
einer inaktiven Pro-Form produziert und
dann, ausgelöst durch die oben beschriebenen
Signale, durch Spaltung aktiviert. Dieser
Vorgang bewirkt durch Rückkopplung die
Bildung vieler aktivierter Enzymmoleküle,
eben einer Caspase-Kaskade. Die Stuttgarter
Forscher haben den Mechanismus mithilfe
einer mathematischen Modellierung
untersucht. Sie zeigten, dass die
Entscheidung über den Start der
kontrollierten Selbstzerstörung der Zelle
während der Caspase-Kaskade gefällt wird,
dass heißt, die Aktivierung der Kaskade
stellt einen irreversiblen Schaltvorgang
dar. Damit wurde auch deutlich, dass der
Apoptose ein bistabiles System zu Grunde
liegt. In vielen biologischen Systemen ist
die Bistabilität von wesentlicher Bedeutung.
Hier besitzt ein System zwei stabile
Ruhelagen und kann abhängig von bestimmten
Signalen zwischen diesen Zuständen wechseln.
Bei der Apoptose spielt diese auf
Rückkopplungsmechanismen basierende
biologische Schalterfunktion eine
wesentliche Rolle.
Mit weiteren systemtheoretischen
Untersuchungen will die Forschergruppe nun
in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des
Instituts für Zellbiologie und Immunologie
der Universität Stuttgart die Kenntnisse um
die Apoptose vertiefen. Da das
Schaltverhalten in der Apoptose über Leben
und Tod einzelner Zellen entscheidet,
erwartet man, dass kleine Schwankungen im
physiologischen Zustand der Zelle keinen
starken Einfluss auf die Entscheidung haben,
die Entscheidung somit robust ist.
Unterschiedliche Sensitivitätsuntersuchungen
und Simula-tionsstudien des erweiterten
Apoptosemodells zeigen, wie das Verhalten
von den verschiedenen Parametern abhängt.
Daraus ließ sich ableiten, dass
hochregulierte Inhibitoren (,die die
Apoptose hemmen), wie sie bei zahlreichen
Krebserkrankungen beobachtet werden, nicht
nur wie bisher angenommen für die
Desensibilisierung von Zellen gegenüber
Signalen zur Apoptose sorgen, sondern
ebenfalls zur Aggressivität und Wachstum der
Tumore beitragen könnten. Die Erweiterung
bestehender mathematischer Modelle soll
zudem dazu beitragen, die Wirkung weiterer
Signalproteine auf den Zelltod zu
beschreiben, um noch gezielter neue
therapeutische Eingriffsmöglichkeiten für
die Krebsbehandlung erforschen zu können.
Quelle:
http://idw-online.de/pages/de/news361422
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