Exozytose in alveolären Typ II Zellen

In diesem Projekt wurden zelluläre Mechanismen und physikalische Kräfte aufgedeckt, durch die oberflächenaktive Substanzen (Surfactant) aus den Zellen der Lungenbläschen freigesetzt werden. Es wurde gezeigt, daß dieser Prozess aus mehreren Phasen besteht, wobei die Öffnung von sog. "exozytotischen Fusionsporen" der limitierende Schritt für die Surfactantfreisetzung ist. Fusionsporen stellen eine mechanische Barriere für den Austritt von Surfactant aus der Zelle dar. Exozytose ist ein fundamentaler biologischer Prozess, bei dem durch das Verschmelzen von intrazellulären Vesikeln mit der Plasmamembran die im Vesikel gespeicherten Substanzen freigesetzt werden. In der Lunge spielt die Exozytose die entscheidende Rolle für die Freisetzung von Surfactant aus den Zellen der Lungenbläschen. Die Vesikel, die Surfactant enthalten, nennt man Lamellar Bodies (LBs). Freigesetztes Surfactant lagert sich an der Luft-Flüssigkeits-Grenzschicht an und senkt auf diese Weise jene Kräfte, die für die Einatmung notwendig sind. Ein Mangel an Surfactant, wie es z.B. bei manchen Frühgeborenen vorkommen kann, führt zum Tod durch Ersticken. Ziel dieses Projekts war es, durch Anwendung innovativer Methoden in der Zellphysiologie jene Prozesse und deren Regulation aufzudecken, durch die einzelne Zellen der Lungenbläschen Surfactant freisetzen. Die Experimente wurden an Lungenzellen der Ratte in Zellkultur durchgeführt. Für die Messung der Exozytose wurde eine fluoreszenzoptische Methode verwendet, die im Labor des Antragstellers in einem Vorprojekt entwickelt wurde. Diese innovative Methode beruht auf dem Diffusionsprinzip eines speziellen Farbstoffs (FM1-43) durch die Fusionspore. Eine Fusionspore ist jene Struktur, die unmittelbar nach der Verschmelzung eines Vesikels mit der Plasmamembran entsteht und die offene Verbindung zwischen Vesikelinhalt und Zelläußerem darstellt. In diesem Projekt wurde ein mathematisches Diffusionsmodell etabliert, durch das über die Messung der FM1-43 Fluoreszenz der Durchmesser einer Fusionspore kontinuierlich berechnet werden kann. Dadurch konnte erstmals nachgewiesen werden, daß Fusionsporen regulierte Gebilde sind, die sich diskontinuierlich und langsam öffnen und durch den intrazellulären Botenstoff Ca2+ reguliert werden. Eine Erhöhung der intrazellulären Ca2+ Konzentration, die als Antwort auf eine Vielzahl von Stimuli auftritt, öffnet die Fusionspore und sorgt so für eine raschere Surfactant- Freisetzung. Die allgemeine zellbiologische Bedeutung dieser Ergebnisse geht daraus hervor, daß sie im renomiertesten Journal der Zellbiologie, dem Joural of Cell Biology, publiziert wurden. Weiteres Schlüsselergebnis dieses Projekts war die Aufdeckung terminaler Schritte und deren Regulation, die zum Verschmelzen von LBs mit der Plasmamembran führen. Die Analyse von mehreren, z.T. simultan gemessenen Parametern unter verschiedenen Arten der Zellstimulation führte zur Etablierung eines "minimalen Fusionsmodells", bei dem die terminale intrazelluläre Signalkaskade durch einen einfachen "gemeinsamen" Weg erklärt werden kann. Diese Ergebnisse wurden in mehreren hochrangigen Journalen publiziert und in Review- Artikeln (News in Physiological Sciences u.a.) zusammengefaßt. Methodische Weiterentwicklung auf dem Gebiet der Nanotechnologie ("single cell stretcher") führten zu einem Österreichischen Patent und zu einem Deutschen Gebrauchsmuster. Die Ergebnisse des Projekts führten zu zahlreichen Preisen und Auszeichnungen, wie etwa der Novartis Preis an den Antragsteller sowie den Aventis Preis an den Projektmitarbeiter Dr. Haller.