Dynamisches Design: Die Zellen, aus denen die Wände unserer feinsten Lymphgefäße bestehen, können bei Bedarf eine lappenartige Form einnehmen, die an ein Eichenblatt erinnert. Diese Zellform macht die Lymphkapillaren besonders widerstandsfähig gegen Schwellungen im Gewebe, wie Forschende nun herausgefunden haben. Dasselbe Zelldesign unterstützt auch die mechanische Stabilität in den Blättern von Pflanzen, wie das Team in „Nature“ berichtet.
Das Lymphsystem durchzieht unseren ganzen Körper. Ähnlich wie das Blutsystem besteht es aus einem Netzwerk von unterschiedlich dicken Gefäßbahnen, von denen die feinsten als Lymphkapillaren bezeichnet werden. Die Wände dieser Kapillaren sind durchlässig für Zellen und Moleküle sowie die interstitielle Flüssigkeit aus dem umgebenden Gewebe. Auf diese Weise kann das Lymphsystem unter anderem Immunzellen, Krankheitserreger, Nährstoffe, Proteine und Flüssigkeiten in andere Teile des Körpers transportieren. So hält es den Flüssigkeitshaushalt aufrecht und unterstützt das Immunsystem.
Warum reißen die Kapillaren nicht?
Dabei müssen diese Lymphgefäße widerstandsfähig sein, aber auch plötzlichen Veränderungen des Flüssigkeitsvolumens im umgebenden Gewebe standhalten, ohne zu reißen. Das passiert beispielsweise bei einer Schwellung. Die Wände der Lymphkapillaren bestehen jedoch aus nur einer einzigen Schicht lymphatischer Endothelzellen, die nur lose miteinander verbunden sind. Wie gelingt es den Gefäßen mit diesem ungewöhnlich dünnen Aufbau, gleichzeitig durchlässig und robust zu sein?
Das hat nun ein Team um Hans Schoofs von der Universität Uppsala anhand von angefärbten Lymphkapillaren aus der Haut von Mäuseohren näher untersucht. „In unserer Studie setzten wir eine dünne Schicht kultivierter lymphatischer Endothelzellen wiederholter multidirektionaler Dehnung aus“, erklärt Seniorautorin Taija Makinen von der Universität Uppsala. Dabei beobachteten die Forschenden unter dem Mikroskop, wie die Zellen reagieren.
Zellen der Kapillarwand verformen sich unter Druck
Bei den Versuchen stellte sich heraus, dass die Endothelzellen der Lymphkapillaren bei Bedarf ihre Form verändern können. „Wir stellten fest, dass die Zellen begannen, ein lappenförmiges Aussehen anzunehmen“, berichtet Makinen. Demnach gehen die ursprünglich eher scharfkantigen kompakten Kapillarzellen unter Druck in eine ausgefranste Form mit Wellenrand über, die an Eichenblätter oder Puzzleteile erinnert. Diese Morphologie war zuvor schon in Gewebeproben beobachtet worden, jetzt hat das Team erstmals ihre Entstehung beobachtet.
„Es gab auch eine größere Überlappung zwischen den Zellen, was bedeutete, dass die Kontaktfläche jeder Zelle mit ihren Nachbarzellen zunahm“, berichtet Makinen. Durch diese Formveränderung sind die Kapillarzellen demnach enger verbunden. Sie werden so widerstandsfähiger und können dem Druck aus der umgebenden Flüssigkeit besser standhalten. Zugleich bleiben jedoch Lücken zwischen den Zellen erhalten, die weiterhin als durchlässige Ventile fungieren.
Diese praktische Lappenform findet sich aber nicht nur bei tierischen Zellen, sondern auch im Pflanzenreich. Endothelzellen auf der Oberfläche von Pflanzenblättern zeigen ähnlich gelappte Zellformen, wie aus früheren Studien bekannt ist. Ihre Aufgabe ist es, dem Flüssigkeitsdruck im Pflanzengewebe standzuhalten. Dieser Flüssigkeitsdruck ist erforderlich, damit Pflanzen wachsen und sich aufrecht halten können.
Doch sehen die Pflanzenzellen nur zufällig genauso aus wie Kapillarwandzellen oder steckt dahinter ein biologisches Prinzip? Da beide Zelltypen einem Flüssigkeitsdruck standhalten müssen, läge dies nahe. Falls ja: Entwickeln die pflanzlichen Endothelzellen ihre robuste Lappenform auf dieselbe Weise wie die lymphatischen Zellen? Um das zu testen, verglichen Schoofs und seine Kollegen die molekularen Abläufe während der Formänderung bei beiden Zelltypen.
Ähnlicher Signalweg steuert Verformung
Tatsächlich fanden die Forschenden einen Zusammenhang: „Die Lappenform der Pflanzenzellen wird durch einen spezifischen Signalweg gesteuert und ein entsprechender Signalweg ist auch in lymphatischen Endothelzellen vorhanden“, berichtet Mäkinen. Diese Signalwege steuern die dynamischen Proteinkonstrukte des Zellskeletts und verformen so die Zellränder zu abwechselnd konvexen und konkaven Abschnitten.
„Als wir diesen Signalweg in Zellkulturen blockierten, wurde auch die dehnungsinduzierte Überlappung zwischen den Zellen reduziert“, stellt Mäkinen fest. Aber beeinträchtigt ein fehlerhafter Signalweg tatsächlich das Lymphsystem lebender Säugetiere? Um das herauszufinden, führte das Team Folgeexperimente mit Mäusen durch, denen eines der Moleküle im Signalweg fehlte.
Das Ergebnis: Bei diesen Tieren konnten die lymphatischen Endothelzellen keine Lappenform einnehmen. Gleichzeitig wurden die lymphatischen Kapillaren instabil und konnten ihre Funktion nicht mehr ausüben. „Das deutet darauf hin, dass die Lymphkapillaren diese Überlappung benötigen, damit sich das Gefäß bei steigendem Flüssigkeitsdruck ausdehnen kann, ohne zu reißen“, sagt Mäkinen.
Das charakteristische lappenartige Aussehen der Pflanzenzellen und der lymphatischen Endothelzellen von Säugetieren sticht aus der Vielfalt der in der Natur vorkommenden Zellformen hervor. Die Ergebnisse legen nahe, dass diese Form auf die spezielle Funktion der Zellen zurückzuführen ist: den Änderungen des Flüssigkeitsvolumens standhalten zu können. „Dies offenbart ein biologisches Designprinzip, das bei sehr unterschiedlichen Arten existiert, um die strukturelle Stabilität zu erhöhen“, schließen die Forschenden.
Das gleiche Prinzip – „form follows function“ – wenden oft menschliche Designer und Ingenieure an, wenn sie etwas konstruieren. So sind beispielsweise Pflastersteine auf Straßen häufig in wellenförmigen oder anderen ineinandergreifenden Mustern angeordnet, um den Straßenbelag robuster und haltbarer zu machen. (Nature, 2025; doi: 10.1038/s41586-025-08724-6)
Quellen: Universität Uppsala, Universität Helsinki
