Projekt 7: Physik von Parasiten

Biomechanik von Adhäsion, Bewegung und Fortpflanzung bei Platyhelminthen

Blutegel und Leberegel sind parasitäre Plattwürmer, die Säugetierwirte befallen, in denen sie wachsen, sich ernähren, vermehren und schließlich chronische Infektionskrankheiten verursachen. Zwei der am weitesten verbreiteten und medizinisch wichtigen Arten, die den Menschen befallen, sind Schistosoma mansoni und Fasciola hepatica, die im Mittelpunkt dieses Projekts stehen. Diese Plattwürmer besitzen zwei Saugnäpfe, die es den Parasiten ermöglichen, sich zu ihrem endgültigen Bestimmungsort im Wirt zu bewegen und sich von dessen Gewebe zu ernähren. Obwohl die Saugnäpfe wesentliche morphologische Strukturen für diese Klasse von Parasiten sind, ist die Biomechanik des saugbasierten Adhäsionssystems wenig bekannt. Schistosomen weisen ein weiteres wichtiges biologisches Merkmal auf: Der ständige und intime physische Kontakt zwischen männlichen und weiblichen Parasiten ist für die sexuelle Reifung der Weibchen unerlässlich.

In diesem Projekt werden grundlegende biomechanische Prinzipien untersucht, die zur Adhäsion, Fortbewegung und Fortpflanzung von Parasiten beitragen: physikalische Kräfte, die an der Parasit-Wirt-Grenzfläche durch die Wirkung von Saugnäpfen auftreten, und physikalische Kräfte, die an der Parasit-Parasit-Grenzfläche des ständig gepaarten Schistosomenpaares wirken.

Die zu beantwortenden biophysikalischen Fragen lauten:

1. Unterscheiden sich Adhäsionskräfte und Fortbewegungsmuster zwischen verschiedenen Egelstadien, Geschlechtern und Arten?
2. Hängen diese Kräfte von den physikalischen Eigenschaften der Umgebung des Parasiten ab, z. B. von der Steifigkeit des Substrats und der Strömungsbelastung?
3. Beeinflussen die Kräfte, die auf das Schistosomenpaar wirken, die Fortpflanzungsfähigkeit des weiblichen Parasiten?
4. Welche Kräfte wirken auf das weibliche Schistosom über den Körper des männlichen Partners?

Um diese Kräfte sichtbar zu machen, zu quantifizieren und mathematisch zu modellieren, verfolgen wir einen interdisziplinären Ansatz, bei dem wir Soft-Matter-Engineering von mechanisch reagierenden polymeren Hydrogelen mit mikrofluidikbasierten Biochip-Systemen ("Wurm-auf-einem-Chip"), Zugkraftmikroskopie, Helminthologie, In-vitro-Techniken und fortgeschrittene 3D-Tomographie-basierte Bildgebung einsetzen. Die Kenntnis der zugrundeliegenden biophysikalischen Mechanismen von Adhäsion, Fortbewegung und Fortpflanzung wird dazu beitragen, die erfolgreiche Evolution der Parasiten und ihre Anpassungen an verschiedene Wirtshabitate besser zu verstehen.