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FÖRDERUNG DES WISSENSCHAFTLICHEN NACHWUCHSES

1.3. Die hämatopoetische Stammzellnische
Hämatopoetische Stammzellen befinden sich im Knochenmark in engem Kontakt
mit ihrer Mikroumgebung, der sogenannten Stammzellnische, welche auch in deren
Regulierung und ihrem Schutz eine wichtige Rolle spielt. Die Stammzellnische
zeichnet sich unter anderem für den Erhalt der Ruhephase der HSC, deren Schutz
vor Umwelteinflüssen, der Regulierung von Signalen und der Modulierung der
Genexpression von HSC verantwortlich. Ein wichtiger Bestandteil dieser Stamm-
zellnische sind die oben beschriebenen MSC. So bietet sich mit der Verwendung die-
ser beiden Zelltypen, HSC und MSC, die Möglichkeit, ein Modell für die Situation
und die Interaktion innerhalb der Stammzellnische zu etablieren und diese Zellen —
MSC stellvertretend für die Mikroumgebung im Knochenmark — zu untersuchen
und in Versuchen und Experimenten entsprechend einzusetzen.
1.4. Mathematische Modellierung von Stammzellprozessen
Biologische Vorgänge wie Zellzyklus, symmetrische und asymmetrische Zellteilung
sowie das Proliferationsverhalten ganzer Zellpopulationen und einhergehende
Veränderungen lassen sich mit Hilfe mathematischer Methoden und Computer-
simulationen beschreiben. Die mathematische Modellierung ermöglicht uns einer-
seits die Integration und Interpretation von Daten, die zur Bearbeitung biologischer
Hypothesen und zur Entwicklung von Experimenten nötig sind. Andererseits bieten
solche Modelle und deren Simulation die Möglichkeit, das Verhalten der untersuch-
ten biologischen Prozesse vorherzusagen und zu extrapolieren, wie sich ein System
unter anderen Bedingungen verhält. Diese interaktive und iterative Verknüpfung von
Modell und Experiment nutzen wir, um wesentliche Mechanismen der Alterungs-
prozesse und der Regeneration und Selbstorganisation von Stammzellsystemen her-
auszuarbeiten.
2. Ergebnisse
2.1. Analyse der zellulären Seneszenz von MSC - ein Modell des Alterns
Während der in utro-Kultur unterliegen primäre Zellen dem Prozess des zellulären
Alterns, der sogenannten replikativen Seneszenz. Neben Veränderungen des Poten-
tials der Zellen, einer Abnahme der Proliferation bis hin zu deren Stillstand sowie
Änderungen der Morphologie konnten wir im Laufe der Langzeitkultur von MSC
kontinuierliche Veränderungen ihrer Genexpression sowie Änderungen in den
DNA-Methylierungsprofilen und der miRNA-Expression nachweisen.Wir zeigten
darüber hinaus, dass das osteogene und adipogene Differenzierungspotenzial von
MSC mit zunehmender Zellalterung beeinträchtigt wird und die Frequenz fibroblas-
tischer koloniebildender Units (CFU-f) stark zurückgeht. Zusätzlich haben wir
das unten beschriebene Zelluläre-Automat-Modell verwendet, um die Populations-
dynamik während der replikativen Seneszenz zu simulieren. Schließlich konnten
wir zeigen, dass hoch reproduzierbare Veränderungen der DNA-Methylierung