2 Zytoplasma - 2 -- 02-04

Zytologische Grundlagen der FEM-Modellierung
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Zytologische Grundlagen der FEM
Modellierung
Lebende Zellen sind hochorganisierte dynamische Einheiten, in denen wichtige
zelluläre Makromoleküle spontan zu komplexen Proteinstrukturen aggregieren
und wieder dissoziieren können [12]. Dabei kommt es zu häufigen lokalen Änderungen des Aggregatzustandes. Die geschilderten Tatsachen führen zu, in den
klassischen Ingenieurwissenschaften wenig bekannten, biologischen Materialeigenschaften. Abbildung 2-1 enthält die 3D-Computerrekonstruktion einer
Lungenepitelzelle. Die Abbildung zeigt den Zellkern (blau), Zytoplasma (hellblau), die Plasmamembranen (schwarz), Zellorganellen (grün) und Erythrozyten (rot). Im Allgemeinen haben Eukariontenzellen folgende Organellen:
Endosplasmatisches Retikulum
Golgi-Apparat
Mitochondrien
Lyosomen
Peroxisomen
Zellkern
Die Organellen nehmen ca. 50% des Zellvolumens ein. Die restlichen 50% des
Zellvolumens bilden das Zytosol. Die wichtigsten Proteinsynthese-Prozesse
finden im Zytosol statt. Eukariontenzellen bestehen zu 70% aus Wasser, zu
18% aus Proteinstrukturen, zu 3% aus Pospholipiden. Die Zelltrockenmasse besteht zu mehr als 50% aus Protein. Proteine sind aus einer Vielfalt unterschiedlicher Aminosäuren aufgebaut.
Der Zellkern ist das ausgeprägteste Organ der Zelle. Er enthält das von einer
Lipiddoppelschicht eingeschlossene Kernplasma und einen oder mehrere Nucleoli. Das Kernplasma besteht aus dem Kernfasernetzwerk und der Kernflüs-
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sigkeit. Die Kernfaserschicht ist wahrscheinlich mit in der inneren Kernmembran eingebetteten Verbindungsproteinen verankert und trägt entscheidend zu
der Kernform und der Kernsteifigkeit bei. Die Kernhülle ist eine ca. 40 nm dicke Doppelschichtmembran. Der Stoffwechsel zwischen Zytoplasma und
Kernplasma erfolgt über Poren in der Kernmembran. Der mittlere Durchmesser
der Kernmembranporen beträgt ca. 100 nm. Im Bereich der Kernmembranporen
sind die beiden Doppelschichtmembranen durch verstärkende Membranproteine miteinander verbunden. Wesentlichen Einfluß auf die Zellsteifigkeit hat die
Form und Steifigkeit des Zellkerns. Die Kernsteifigkeit wird von dem Kerngerüst und der doppelschichtigen Kernmembran bestimmt. Dabei spielen die vielen Porenverstärkungen in der Kernmembran und das Netzwerk der Lamina eine entscheidende Rolle. Bei vielen Eukariontenzellen hat die Kernfaserschicht
eine mittlere Dicke von 20 bis 40 nm. Das Chromatin säumt die Innenseite der
inneren Membrandoppelschicht. Dem Kernfasernetzwerk wird eine ordnende
Rolle bei der Positionierung und Formgebung der Chromosomen zugesprochen
[12]. Nucleoli enthalten hohe Mengen an Proteinen und RNA. Sie werden nicht
von einer Membran begrenzt. Im Nucleolus lassen sich drei Regionen definieren:
Lagune
Pars granulosa
15 nm dicke ribosomale Vorläufer
Pars fibrosa
5 nm Ribonucleoproteinfaser
Die Größe des Nucleolus schwankt bei Eukariontenzellen in erheblichem Umfang und hat bei aktiven, proteinsynthetisierenden Zellen ein relatives, temporäres Maximum.
Die meisten Tumorzellen weisen normalen Zellen gegenüber strukturelle und
funktionelle Unterschiede auf. Es sind funktionelle Unterschiede der Plasmamembran und strukturelle Unterschiede des Zytoskelettes sowie der extrazellulären Matrix. Maligne Zellen weisen in der Regel einen verstärkten Stoffwech-
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seltransport durch die Plasmamembran auf. In der Lipiddoppelschicht maligner
Zellen kann oft eine verstärkte Blasenbindung konstatiert werden [29]. Die
prägnanteste strukturelle Charakteristik maligner Zellen ist eine geänderte Organisation der zellulären und extrazellulären Filament-Aggregatanordnung. Es
wird angenommen, daß durch den Verlust der mikrotubulären Kontrollmechanismen die Aggregation zytoplasmatischer und extrazellulärer Filamentstrukturen gestört ist [12]. Es kommt zu einer diffusen, wenig gebündelten
Anordnung zellulärer Aktin-Filamente.
Aktinfaserstränge haben eine formerhaltende und formbestimmende Rolle.
Der zelluläre Kraftfluß in normalen Zellen erfolgt weitgehend über gebündelte
Aktinstränge. Eine Störung der Aktinbündelung und der makromolekularen
Verbindungsproteine führt zu einem Verlust der funktionellen Steifigkeit der
zytoplasmatischen Skelettordnung. Von entscheidender Bedeutung für die Modellierung zellulärer Strukturen ist die Steifigkeit und Viskosität der Zelle als
auch die formbestimmende Anordnung der extrazellulären Matrix.
Die Zellsteifigkeit und damit die Zellform wird hauptsächlich von der Steifigkeit der Zytoskelettfilamente, ihrer Vernetzungsform und Bündelung sowie ihrer Verankerung an den Proteineinlagerungen in der Plasmamenbran bestimmt.
Das Zytoplasma ist aus dem Zytoskelett und der Zellflüssigkeit aufgebaut. Es
ist eine dynamische Anordnung hochorganisierter Proteinketten, in denen Zellflüssigkeit eingelagert ist. Es gibt drei wichtige zelluläre Skelettfilamente:
-Mikrofilamente ( besonders Aktinfilamente )
Durchmesser ca. 7 nm
-Mikrotubuli
Durchmesser ca. 25 nm
-Intermediärfilamente
Durchmesser ca. 10 nm
In Abbildung 2-2 ist die Elementdiskretisierung für das 2D-FEM Berechnungsmodell einer Lymphknoten-Metastasenzelle des Mammakarzionoms dar-
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gestellt. Die Abbildung zeigt das Kernfilamentgerüst und das zytoplasmatische
Skelett mit Mikrotubuli, Intermediärfilamenten und Aktinfilamenten.
Zusätzlich zu den drei Hauptgruppen zellulärer Proteinfilamente enthalten die
meisten Eukariontenzellen weitere makromolekulare Proteinstrukturen. Diese
können Proteinfilamente bündeln und Verbindungen zwischen Filamentsträngen und Proteineinlagerungen in der Plasmamembran herstellen. Es gibt kontraktionsauslösende
Verbindungsproteine,
wie
Myosin
und
Nicht-
Muskelmyosin, gelbildende Verbindungsproteine (Filamin und Actinin), polymersisationshemmdende Proteine (Profilin), Bündelungsproteine (Fimbrin) und
Fragmentierungsproteine (Villin und Gelsolin). Aktinfilamente sind in vielen
zellulären Strukturen anzutreffen. Sie werden über unterschiedliche Vernetzungsproteine miteinander verbunden. Die Strukturform aktinbindender Proteine beeinflußt den Aggregationszustand des Zytoplasmas. Aktin-Filamente bestehen aus zwei, in Helix-Anordnung aneinandergekoppelte Makromoleküle
globulärer Form. Die Ankopplungskräfte beruhen auf Wasserstoffbrücken und
bestimmen typischen Helixanordnungen oder Faltanordnungen. So entstandene
Aktinstränge können durch zusätzliche Verbindungsproteine miteinander verbunden sein. Dabei wird die Steifigkeit erheblich gesteigert. Aktinmakromoleküle haben eine durchschnittliche Länge von ca. 6 nm. Aktinstränge ordnen
den zellulären und extrazellulären Kraftfluß. Die zytoplasmatische Aktinfilamentstruktur bestimmt die jeweilige zytoplasmatische Viskosität.
Die dreidimensionale Anordnung zellulärer Proteinmakromoleküle werden
durch nichtkovalente Wechselwirkungen der Polipeptidketten stabilisiert. Viele
Proteine sind aus globulären Untereinheiten gebildet. Diese sind durch kurze
Polypeptidketten miteinander verbunden. Makromolekulare Bindungskräfte
halten Proteinaggregatstrukturen zusammen. Die in der Fachliteratur mehrfach
zitierte Anhäufung von Aktinfilamenten im Bereich der LipiddoppelschichtInnenmembran [12 bis 20] wird durch eine entsprechende FEM-Diskretisierung
der Aktinelemente (Abbildung 2-2) berücksichtigt.
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Abbildung 2-1
3D-Computerrekonstruktion einer Lungenepitelzelle. Die Abbildung zeigt den Zellkern (blau), Zytoplasma (hellblau), die Plasmamembranen (schwarz), Zellorganellen
(grün) und Erythrozyten (rot).
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Kernfilament
Zytoplasmatisches
Filament
Abbildung 2-2
Elementdiskretisierung für das 2D-FEM Berechnungsmodell einer LymphknotenMetastasenzelle des Mammakarzinoms. Die Abbildung zeigt das Kernfilamentgerüst
und das zytoplasmatische Skelett mit Mikrotubuli, Intermediärfilamenten und Aktinfilamenten.
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Das Ausstrecken der Mikrovilli erfolgt durch die Aggregation von AktinFilamenten. Durch den Abbau von Aktin-Filamenten kommt es zu einer
Schrumpfung und Rückbildung der Mikrovilli.
Mikrotubuli sind 25 nm dicke Tubulinmakromoleküle in Hohlkörperanordnung. Dabei sind Protofilamente um einen zentralen Bereich zylindrisch angeordnet.
Mikrotubuli
sind
aus 13, zentrisch angeordneten Tubulin-Polipeptiden
aufgebaut. Diese sind durch
zahlreiche
Zusatzproteine
miteinander stabilisiert und
an angrenzende Organellen
Abb. 2-2.1 Zytoplasmatische Mikrotubulistruktur
und Membranen gebunden.
Ohne zusätzliche Vernetzungsproteine und Verankerung an angrenzende
Membranen und Organellen sind Mikrotubuli biegeweiche Hohlzylinder. In
Abbildung 2-3 wird die zytoplasmatische Organisation des Mikrotubuli-Netzes
gezeigt.
In der Interphase verlaufen Mikrotubuli zentrisch, ausgehend von dem Zellzentrum (Centriol) durch das Zytoplasma. Dabei kann eine Konzentration von Mikrotubuli um den Zellkern herum beobachtet werden. Es ist wahrscheinlich, daß
Mikrotubuli für die Organisation der gesamten intrazellulären und extrazellulären Skelettfilamente verantwortlich sind [12]. Das Zytoplasma der Eukariontenzellen enthält im Durchschnitt 50% nichtaggregiertes Tubulin. Durch die
Zugabe bestimmter Wirkstoffe aggregieren Tubulinmoleküle zu äußerst labilen
mikrotubulären Makrostrukturen.
Durch die Einwirkung bestimmter
Wirkstoffe dissoziieren Mikotubuli-
Aggregate spontan. Andere Wirkstoffe blockieren die Aggregation mikrotubu-
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lärer Strukturen oder fördern die Aggregation tubulärer Strukturen. Durch die
Zugabe von Conchilin in das Zytoplasma einer sich teilenden Zelle werden die
Mikrotubuli der mitotischen Spindel aufgelöst. Die Zellteilung wird blockiert.
Die Zelle verharrt in der Mitose. Die Entfernung des Wirkstoffes erlaubt die
Rückbildung der mitotischen Spindel und den Fortgang der Zellteilung. In der
Mitose bewirkt Vinblastin bei vielen Zellen eine Blockierung der MikrotubuliAggregation. Dadurch verharrt die Zelle in Mitose und der Teilungsprozess ist
blockiert. Ein anderer Wirkstoff Taxon bewirkt eine verstärkte Aggregation von
Mikrotubuli. Es entstehen steifere mitotische Spindeln. Dadurch wird die sich
teilende Zelle auch in der Mitose blockiert. Sie stirbt. Schweres Wasser hat die
gleiche Wirkung. Kommt es zu einer Störung der Bildung von mitotischen MTSpindeln werden hauptsächlich schnellteilende Zellen geschädigt.
Man konnte beobachten, daß bei einigen Eukariontenzellen die Dissoziation
mikrotubulärer Makrostrukturen bei niedrigen Temperaturen schneller verläuft
[12]. Wahrscheinlich werden Mikrotubuli durch hohe Ca2+ Konzentrationen
abgebaut und bei geringen Calciumkonzentrationen wieder aufgebaut [12]. Bei
einigen Eukariontenzellen werden Mikrotubuli bei Unterkühlung schneller abgebaut und bei Erwärmung wieder aufgebaut. Die Modellierung zellulärer
Strukturen muß sowohl der äußerst komplexen Anordnung unterschiedlicher
Makromolekül-Strukturen Rechnung tragen als auch die häufigen Gel-Sol-Gel
Übergänge zytoplasmatischer Komponenten berücksichtigen.
Intermediärfilamente sind makromolekulare Proteinstrukturen mit durchschnittlichen Größen von ca. 10 nm im Durchmesser. Anders als Mikrotubuli und
Mikrofilamente können Intermediärfilament nach ihrer Aggregation nur schwer
oder gar nicht dissoziieren. Es gibt Kreatinfilamente, Neurofilamente (Neurone)
und Vimentinfilamente (Fibroblasten, einige Gliazellen und Muskelzellen). Neben Mikrotubuli und Aktinfilamenten haben auch Intermediärfilamente strukturelle, spannungsübertragende Funktionen. Die Zellsteifigkeit und damit die
Zellform wird hauptsächlich von der Steifigkeit der Zytoskelettfilamente, ihrer
Vernetzungsform und Bündelung sowie ihrer Verankerung an den Proteineinla-
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gerungen in der Plasmamenbran bestimmt. Wesentlichen Einfluß auf die Zellsteifigkeit hat auch die Steifigkeit und die Form des Zellkerns. Die Kernsteifigkeit wird von dem Kerngerüst und der doppelschichtigen Kernmembran bestimmt. Dabei spielen die vielen Porenverstärkungen in der Kernmembran und
das Netzwerk der Lamina eine entscheidende Rolle.
Von entscheidender Bedeutung für die Modellierung zellulärer Strukturen sind
die Steifigkeit, die Viskosität und die formbestimmende Anordnung der extrazellulären Matrix. Diese besteht aus Filamentnetzwerken in denen extrazelluläre Flüssigkeit eingelagert ist. Viele extrazelluläre Filamentstränge sind mit
Verbindungsproteinen der zellulären Lipiddoppelschicht verbunden und bilden
mit dem Zytoskelett einen geschlossenen Kraftschluß. Es wird angenommen,
daß sich die Orientierung der extrazellulären Filamentbündel an dem zytoplasmatischen Mikrotubuli-Netzwerk ausrichtet. Desgleichen vermutet man eine
reziproke Beeinflussung der Aktinbündel im Zytoplasma durch die extrazelluläre Matrix.
Im Golgi-Apparat werden zytoplasmatische und extrazelluläre Proteinstrukturen
in ihre endgültige Form gebracht. Dabei erfahren die Initialproteine spezifische
kovalente Bindungsänderungen. Die Änderunsmechanismen sind noch weitgehend unbekannt.
Für die Modellierung der zu analysierenden Zellen müssen detaillierte Angaben
zu den formbestimmenden Parameter der entsprechenden subzellulärer Strukturen (Orientierung und Stärke der Aktinbündel, Mikrotubulianordnungen, Verbindungsproteine und Intermediärfilamente) vorliegen. Desgleichen sind Angaben zu der Steifigkeit und Viskosität der extrazellulären Filamentanordnungen
erforderlich.
Die Mikofilamente für das Berechnungsmodell in Abb. 2-2 sind dreiecksförmig
angeordnet und haben eine durchschnittliche Länge von ca. 65 nm . Im Bereich
der Kernmembran sind den Kernfaser-Elementen (Feder-Dämpfungselemente)
steifere Materialwerte zugeordnet. Damit wird der Kernmembrandoppelschicht
mit der an ihr anhaftenden, versteifenden Lamina Rechnung getragen. Im FEM-
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Berechnungsmodell der Lymphknoten-Metastasenzelle (Abb. 2-2) werden extrazellulären Protein-Filamente mit stabförmigen Feder-Dämpfungselementen
simuliert. Die Elemente sind durch die Membrandoppelschicht mit dem plasmatischen Skelett der Zelle verbunden.
Die Abbildungen 2-4 und 2-5 zeigen die FEM-Anordnung der zytoplasmatischen und extrazellulären Proteinfilament-Elemente bei LymphknotenMetastasenzellen des Mammakarzinoms in peripherem lymphoiden Gewebe.
Im FEM-Berechnungsmodell sind den malignen Proteinfilament-Elementen
(links) reduzierte Steifigkeiten zugeordnet. Die zytologische Begründung ist der
Verlust der zytoplasmatischen und extrazellulären Skelettordnung maligner
Metastasenzellen.
In der Abbildung 2-6 ist der Kern- Deteilbereich der Elementdiskretisierung des
FEM-Berechnungsmodelles einer Lymphknoten-Metastasenzelle des Mammakarzinoms dargestellt.
Abbildung 2-3. Zelluläre Anordnung zytoplasmatischer Mikrotubuli. Die Oranisation der Mikrotubuli verläuft radial durch das Zytoplasma, vom Zellzentrum (Zentriol) aus, um den Zellkern.
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Abbildung 2-4
Elementdiskretisierung für das 2D-FEM Berechnungsmodell von Lymphknoten-Metastasenzellen des Mammakarzinoms in peripherem lymphoiden Gewebe. Das zytoplasmatische Skelett der Metastasenzelle (grün) hat eine tumorspezifische Organisation und Steifigkeit. Das extrazelluläre Skelett (blau)
ist ebenfalls anders organisiert und weicher als bei nichtentarteten Zellen.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist die zytoplasmatische und extrazelluläre Flüssigkeit nicht dargestellt. In der Abbildung sind die Zellmembranen rot
eingezeichnet.
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Abbildung 2-5
Die Abbildung zeigt die Anordnung der zytoplasmatischen und extrazellulären
Proteinfilamente von Lymphknoten-Metastasenzellen des Mammakarzinoms.
Durch den Verlust der zytoplasmatischen und extrazellulären Skelettordnung
ist die funktionelle Steifigkeit der Zelle gestört. Den Zytoskelettfilamentelementen sind im Berechnungsmodell reduzierte Steifigkeiten zugeordnet. In der Abbildung ist das Zytoplasma grün, das Kernplasma rot und die extrazelluläre
Flüssigkeit hellblau dargestellt.
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Kernlamina
Zytoskelett
Plasmamembran
extrazelluläres
Skelettfilament
Abbildung 2-6
Elementnetzwerk des 2D-FEM Berechnungsmodelles
einer Lymphknoten-
Metastasenzelle
des Mammakarzinoms. Detailbereich des Zellkerns mit Kernlamina, Kernmembran und
zytoplasmatischem Skelett.
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