Mechanische Beanspruchungen verändern bei nahezu jeder Zelle ihre Funktion und ihre Form. Wir interessieren uns besonders für die durch mechanische Beanspruchungen hervorgerufene Effekte im Blutgefäßsystem, dessen Innenseite von den sogenannten Endothelzellen ausgekleidet ist, die eine Permeabilitätsbarriere zwischen Blut und Gewebe darstellen. Durch den Blutstrom sind diese Zellen permanent einer erheblichen mechanischen Beanspruchung ausgesetzt, die nicht nur ihre Form, sondern auch ihre Funktionen wesentlich verändert. Wir haben in unserem Labor einen experimentellen Aufbau entwickelt, mit dem wir erstmalig zeigen konnten, dass laminare Strömungen zu einer Verstärkung der endothelialen Barrierefunktion führen und so vermutlich der Entwicklung der Gefäßverkalkung entgegenwirken. Neben diesen Experimenten wird das neue System auch zur dynamischen Untersuchung der Zellhaftung auf Biomaterialien verwendet. / Mechanical loads change the function and morphology of nearly every cell. We are particularly interested in the effects of mechanical loads on the endothelial cells which line the inner surface of blood vessels and control the exchange of water and solutes between blood and tissue (barrier function). These cells are exposed permanently to mechanical forces from the blood stream, which induces changes not only in cell morphology but also in function. We have developed an experimental setup which allows the endothelial barrier function to be measured under defined flow conditions. We have demonstrated for the first time that laminar shear stress enhances the endothelial barrier function, and thus a possible explanation for the anti-arteriosclerotic effect. Importantly, our setup can also be used to dynamically test the adhesion of cells on biomaterials.

Endothelzellen bilden eine monozellulare Grenzschicht in Blutgefäßen. Ihre Migration ist ein kritischer Teilschritt bei der Gefäßbildung, zum Beispiel während der Wundheilung. Obwohl bereits eine Reihe der dafür relevanten Mediatoren und pathogenen Determinanten bekannt sind, fehlt bisher eine quantitative Analyse der molekularen Mechanismen der Gefäßbildung und Zellmigration. Voraussetzung dafür sind Verfahren zur automatisierten Bestimmung von Zelltrajektorien in Sequenzen von Mikroskopaufnahmen migrierender Zellverbände. Dazu wurde ein statistisches Modell entwickelt, welches die Segmentierung und Verfolgung von Zellen in Bildsequenzen ermöglicht. Im vorliegenden Beitrag stellen wir dieses Modell vor, diskutieren die sich daraus ergebenden Lern- und Erkennungsalgorithmen und präsentieren erste Resultate. / Mechanical loads change the function and morphology of nearly every cell. We are particularly interested in the effects of mechanical loads on the endothelial cells which line the inner surface of blood vessels and control the exchange of water and solutes between blood and tissue (barrier function). These cells are exposed permanently to mechanical forces from the blood stream, which induces changes not only in cell morphology but also in function. We have developed an experimental setup which allows the endothelial barrier function to be measured under defined flow conditions. We have demonstrated for the first time that laminar shear stress enhances the endothelial barrier function, and thus a possible explanation for the anti-arteriosclerotic effect. Importantly, our setup can also be used to dynamically test the adhesion of cells on biomaterials.

Mechanische Beanspruchungen verändern bei nahezu jeder Zelle ihre Funktion und ihre Form. Wir interessieren uns besonders für die durch mechanische Beanspruchungen hervorgerufene Effekte im Blutgefäßsystem, dessen Innenseite von den sogenannten Endothelzellen ausgekleidet ist, die eine Permeabilitätsbarriere zwischen Blut und Gewebe darstellen. Durch den Blutstrom sind diese Zellen permanent einer erheblichen mechanischen Beanspruchung ausgesetzt, die nicht nur ihre Form, sondern auch ihre Funktionen wesentlich verändert. Wir haben in unserem Labor einen experimentellen Aufbau entwickelt, mit dem wir erstmalig zeigen konnten, dass laminare Strömungen zu einer Verstärkung der endothelialen Barrierefunktion führen und so vermutlich der Entwicklung der Gefäßverkalkung entgegenwirken. Neben diesen Experimenten wird das neue System auch zur dynamischen Untersuchung der Zellhaftung auf Biomaterialien verwendet. / Mechanical loads change the function and morphology of nearly every cell. We are particularly interested in the effects of mechanical loads on the endothelial cells which line the inner surface of blood vessels and control the exchange of water and solutes between blood and tissue (barrier function). These cells are exposed permanently to mechanical forces from the blood stream, which induces changes not only in cell morphology but also in function. We have developed an experimental setup which allows the endothelial barrier function to be measured under defined flow conditions. We have demonstrated for the first time that laminar shear stress enhances the endothelial barrier function, and thus a possible explanation for the anti-arteriosclerotic effect. Importantly, our setup can also be used to dynamically test the adhesion of cells on biomaterials.

Endothelzellen bilden eine monozellulare Grenzschicht in Blutgefäßen. Ihre Migration ist ein kritischer Teilschritt bei der Gefäßbildung, zum Beispiel während der Wundheilung. Obwohl bereits eine Reihe der dafür relevanten Mediatoren und pathogenen Determinanten bekannt sind, fehlt bisher eine quantitative Analyse der molekularen Mechanismen der Gefäßbildung und Zellmigration. Voraussetzung dafür sind Verfahren zur automatisierten Bestimmung von Zelltrajektorien in Sequenzen von Mikroskopaufnahmen migrierender Zellverbände. Dazu wurde ein statistisches Modell entwickelt, welches die Segmentierung und Verfolgung von Zellen in Bildsequenzen ermöglicht. Im vorliegenden Beitrag stellen wir dieses Modell vor, diskutieren die sich daraus ergebenden Lern- und Erkennungsalgorithmen und präsentieren erste Resultate. / Mechanical loads change the function and morphology of nearly every cell. We are particularly interested in the effects of mechanical loads on the endothelial cells which line the inner surface of blood vessels and control the exchange of water and solutes between blood and tissue (barrier function). These cells are exposed permanently to mechanical forces from the blood stream, which induces changes not only in cell morphology but also in function. We have developed an experimental setup which allows the endothelial barrier function to be measured under defined flow conditions. We have demonstrated for the first time that laminar shear stress enhances the endothelial barrier function, and thus a possible explanation for the anti-arteriosclerotic effect. Importantly, our setup can also be used to dynamically test the adhesion of cells on biomaterials.

The cardiovascular system of bilaterians developed from a common ancestor. However, no endothelial cells exist in invertebrates demonstrating that primitive cardiovascular tubes do not require this vertebrate-specific cell type in order to form. This raises the question of how cardiovascular tubes form in invertebrates? Here we discovered that in the invertebrate cephalochordate amphioxus, the basement membranes of endoderm and mesoderm line the lumen of the major vessels, namely aorta and heart. During amphioxus development a laminin-containing extracellular matrix (ECM) was found to fill the space between the basal cell surfaces of endoderm and mesoderm along their anterior-posterior (A-P) axes. Blood cells appear in this ECM-filled tubular space, coincident with the development of a vascular lumen. To get insight into the underlying cellular mechanism, we induced vessels in vitro with a cell polarity similar to the vessels of amphioxus. We show that basal cell surfaces can form a vascular lumen filled with ECM, and that phagocytotic blood cells can clear this luminal ECM to generate a patent vascular lumen. Therefore, our experiments suggest a mechanism of blood vessel formation via basal cell surfaces in amphioxus and possibly in other invertebrates that do not have any endothelial cells. In addition, a comparison between amphioxus and mouse shows that endothelial cells physically separate the basement membranes from the vascular lumen, suggesting that endothelial cells create cardiovascular tubes with a cell polarity of epithelial tubes in vertebrates and mammals.

The cardiovascular system of bilaterians developed from a common ancestor. However, no endothelial cells exist in invertebrates demonstrating that primitive cardiovascular tubes do not require this vertebrate-specific cell type in order to form. This raises the question of how cardiovascular tubes form in invertebrates? Here we discovered that in the invertebrate cephalochordate amphioxus, the basement membranes of endoderm and mesoderm line the lumen of the major vessels, namely aorta and heart. During amphioxus development a laminin-containing extracellular matrix (ECM) was found to fill the space between the basal cell surfaces of endoderm and mesoderm along their anterior-posterior (A-P) axes. Blood cells appear in this ECM-filled tubular space, coincident with the development of a vascular lumen. To get insight into the underlying cellular mechanism, we induced vessels in vitro with a cell polarity similar to the vessels of amphioxus. We show that basal cell surfaces can form a vascular lumen filled with ECM, and that phagocytotic blood cells can clear this luminal ECM to generate a patent vascular lumen. Therefore, our experiments suggest a mechanism of blood vessel formation via basal cell surfaces in amphioxus and possibly in other invertebrates that do not have any endothelial cells. In addition, a comparison between amphioxus and mouse shows that endothelial cells physically separate the basement membranes from the vascular lumen, suggesting that endothelial cells create cardiovascular tubes with a cell polarity of epithelial tubes in vertebrates and mammals.