Förderprojekte

Förderbeginn 01.07.2024

Einfluss der Membranfluidität von Immunzellen auf die Membranperforation während der Bildung von Neutrophil Extracellular Traps

Prof. Dr. Christoph Westerhausen
Universität Augsburg
Institute of Theoretical Medicine

Prof. Dr. Hawa Racine Thiam
Stanford University
Department of Bioengineering

NETosis ist ein Prozess, bei dem bestimmte Immunzellen, insbesondere Neutrophile, netzartige Strukturen, sogenannte Neutrophil Extracellular Traps (NETs), freisetzen, die aus DNA, Histonen sowie antimikrobiellen und zytotoxischen Proteinen bestehen, um Krankheitserreger festzuhalten und abzutöten. Dieser Prozess spielt eine entscheidende Rolle bei der Abwehr von Infektionen durch das Immunsystem, wird jedoch auch mit schadhaften Auswirkungen im Rahmen autoinflammatorischer und Autoimmunerkrankungen in Zusammenhang gebracht. Während die pathophysiologische Relevanz und der molekulare Mechanismus der NETosis zunehmend aufgedeckt werden, ist der zugrundeliegende biophysikalische Mechanismus kaum verstanden. Zum Beispiel ist der Mechanismus, durch den Neutrophile eine Perforation ihrer Plasmamembran zur Freisetzung von DNA in die extrazelluläre Umgebung erreichen, bisher unbekannt.

Dieses Projekt zielt daher darauf ab, die biophysikalischen Eigenschaften von Plasmamembranen während des NETosis-Vorgangs zu untersuchen. Die Kombination der Expertise beider Kooperationspartner in der Messung der Membranfluidität bzw. der Membranspannung wird es ermöglichen, zu untersuchen, wie die Membranfluidität die Membranspannung und den nachgelagerten zellulären Prozess der NETosis beeinflusst. Langfristiges Ziel ist es, den Prozess der NETosis sowie seinen Einfluss auf die Biophysik der Plasmamembran umfassend zu charakterisieren und so ein Verständnis zugrundeliegender Immunantwortmechanismen zu erlangen.

Abschlussbericht
Aktivitäten
Ziel des Projekts ist es, die Dynamik biophysikalischer Parameter der Plasmamembran von Neutrophilen, insbesondere der Lipidordnung und der Membranspannung, zu untersuchen und deren Einfluss auf den nachgelagerten zellulären Prozess der NETosis zu bestimmen. Durch die Kombination der Expertise der Arbeitsgruppe Westerhausen in der Messung der Membranfluidität mit der Expertise der Arbeitsgruppe Thiam in der Kultivierung von Neutrophilen sowie der Bestimmung der Membranspannung soll ein besseres Verständnis dafür gewonnen werden, wie Immunzellen die physikochemischen Eigenschaften ihrer Plasmamembran regulieren, um ihre Funktionen in der Immunabwehr auszuführen und gleichzeitig die Homöostase des Wirts zu erhalten. Zur Umsetzung dieses Ziels verbrachte Paul Täufer, Masterstudent in der AG Westerhausen, einen sechsmonatigen Forschungsaufenthalt (Oktober 2024 – März 2025) als Gastwissenschaftler in der AG Thiam an der Stanford University. Während dieses Aufenthalts charakterisierte er Veränderungen der Membranspannung und der Lipidordnung in Neutrophilen im Verlauf der NETosis und untersuchte die funktionelle Bedeutung der Regulation dieser Membraneigenschaften für die Effizienz der NET-Freisetzung. Nach seiner Rückkehr nach Augsburg übertrug Paul Täufer die erworbenen Kenntnisse in der Neutrophilenkultur und den experimentellen Methoden in die AG Westerhausen und führt dort derzeit weitere Experimente zur Charakterisierung der Lipidordnung in Neutrophilen durch.

Ergebnisse
Im Rahmen des Projekts konnte gezeigt werden, dass die Lipidordnung der Plasmamembran von Neutrophilen im Verlauf der NETosis kontinuierlich abnimmt, während die Membranspannung gleichzeitig zunimmt. Um die funktionelle Bedeutung dieser Dynamik zu untersuchen, wurden die biophysikalischen Eigenschaften der Membran gezielt durch die Modulation des zellulären Cholesterinspiegels verändert. Eine Erhöhung des Cholesteringehalts führte zu einer verminderten NETosis-Effizienz, während eine Absenkung des Cholesteringehalts die NET-Freisetzung begünstigte. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine präzise Regulation des zellulären Cholesteringehalts, und damit der Lipidordnung und Membranspannung der Plasmamembran, eine zentrale Voraussetzung für eine effiziente NET-Bildung darstellt. Die Projektergebnisse wurden von Paul Täufer auf dem 15. Kongress der European Biophysical Societies’ Association (EBSA) in Rom vorgestellt¹. Darüber hinaus bilden sie die Grundlage seiner Masterarbeit. Ein Manuskript² zur Veröffentlichung der Projektergebnisse befindet sich derzeit in Vorbereitung.

Ausblick
Aufbauend auf den Ergebnissen dieses Projekts soll die Zusammenarbeit zwischen den Arbeitsgruppen Westerhausen und Thiam weiter vertieft werden. Hierzu sind zusätzliche Charakterisierungen der biophysikalischen Eigenschaften der Plasmamembran von Neutrophilen in Augsburg geplant. Darüber hinaus sollen Lipidordnung und Membranspannung künftig mithilfe alternativer Ansätze jenseits der Cholesterinmodulation gezielt verändert werden, um sicherzustellen, dass beobachtete Effekte auf die NETosis-Effizienz direkt auf veränderte mechanische Eigenschaften der Membran zurückzuführen sind und nicht auf zusätzliche Einflüsse auf zelluläre Signalwege. Langfristig soll dieses Wissen dazu beitragen, Strategien zur gezielten Modulation der NETosis zu entwickeln, um entweder überschießende Immunreaktionen bei autoimmunen und entzündlichen Erkrankungen zu begrenzen oder die Immunabwehr gegen Pathogene zu stärken.

¹ S142 European Biophysics Journal (2025) 54 (Suppl 1):S1–S273.

² P. Täufer, C. Westerhausen. H. R. Thiam, “Tight Regulation of Neutrophils Plasma Membrane Lipid Order and Tension is Required for Efficient Neutrophil Extracellular Trap Release”, in Vorbereitung, 2026.