Hochdruckbiologie


Hochdruck-Zellbiologie und Hochdruck-Biotechnologie

Hohe Umgebungsdrücke sind eher die Regel als die Ausnahme: mehr als 70% unserer Biosphäre sind von Ozeanen bedeckt mit einem mittleren Umgebungsdruck von ~38 MPa, entsprechend ~3,800 m Tiefe, bis hin zu Abgründen von 11,700 m. Wie sich Organismen wie Tiefseefische an diese hohen Umgebungsdrücke adaptiert haben, ist nach wie vor ein Rätsel. Ebenso erstaunlich erscheint die Fähigkeit von Meeressäugern (Walen, Delphine, Seelöwen), bei Apnoe-Tauchgängen bis Tiefen von ca. 2,000 m in kurzen Zeiten (~30 min) derart hohen Druckschwankungen standhalten zu können.

Organ-Limitierung von Druckexpositionen

Es stellt sich hierbei die Frage nach der prinzipiellen Druckbelastbarkeit dieser Organismen und welches Organ wohl limitierend ist. Da die Skelettmuskelfunktion bei Säugern verschiedener Spezies stark konserviert ist, haben wir in der Vergangenheit Muskeln von Landsäugern als Modell herangezogen, die spezifischen Veränderungen einer langanhaltenden Druckexposition (3 Std) bis 35 MPa zu untersuchen. Muskelfunktionen wurden sowohl unter Druck als auch nach der Druckbehandlung untersucht. Hierzu kommen sowohl Kraftmessungen und Ionenkanal-Untersuchungen an einzelnen Muskelzellen als auch neuartige ‚in situ‘ Mikroskopie-Techniken mittels (Laser-)Fluoreszenz in optischen Druckkammern mit Sichtfenstern zum Einsatz.

Hochdruckbiologie

Abbildung: Mechanismus der Hochdruck-induzierten Muskelschädigung. A, nach einer 3-std. Hochdruckbehandlung zeigt sich ab 20 MPa in der Dekompressionsphase ein irreversibler Kraftabfall im Säuger-Skelettmuskel bei einer extremen Zunahme der Muskelsteifigkeit [aus Kress et al. 2001]. B, nach einer 3-std. Hochdruckbehandlung bei 25MPa zeigt sich im Muskel ein selektiver Verlust von Troponin-T [Kress et al. 2001].  C, Propidium-Iodid Epifluoreszenz-Hochdruck-Mikroskopie visualisiert online die Entwicklung einer langsamen, irreversiblen Kontraktur ab ~20min Hochdruckbehandlung bei 35 MPa bei intakter Membranintegrität (Zelle oben rechts: defekte Zelle)[aus Friedrich et al. 2006]. D, konfokale Hochdruck-Laser-Fluoreszenz-Mikroskopie zeigt eine initiale Ca2+ Aufnahme in Mitochondrien bei Kompression, welche nach ~30min bei 35MPa in einen plötzlichen Abfall übergeht [aus Friedrich et al. 2006]. E, Modell der druckabhängigen Schädigung der Muskelfunktion bei protrahierter Druckexposition von Säugermuskeln. Zunächst erhöht Druck das SR Ca2+-leak, der myoplasmatische Ca2+ Anstieg wird durch Mitochondrien abgepuffert. Nach einer kritischen Expositionszeit schütten Mitochondrien Ca2+ wieder in das Zytosol aus, der stattgefundene Troponin-T-Verlust dereguliert den kontraktilen Apparat, eine irreversible Kontraktur entsteht [aus Friedrich 2010].

Druckverhalten von Landsäuger-Muskel-Zellen unter langanhaltendem Druck

Nach einer 3-stdg. Hochdruckbehandlung zeigten sich ab einem Druck von 20 MPa irreversible Beeinträchtigungen der Kraftentwicklung, welche bis in die Post-Dekompressionsphase anhielten. Dies war mit einer Zunahme der Muskelsteifigkeit und einem selektiven Verlust von Troponin-T im Muskel verbunden (s. Abb.). Bei optischen Fluoreszenz-Messungen der Membran-Integrität während Hochdruckbehandlung zeigt sich ab ~20 min Druckexposition bei 35 MPa eine sich langsam entwickelnde, irreversible Kontraktur bei erhaltener Membranintegrität, welche auch über die Dekompression hinaus besteht (s. Abb.). Um den spezifischen Mechanismus zu klären, wurden die gleichen Druckprofile in einem neuartigen konfokalen Hochdruck-Mikroskop mittels spezifischer Ca2+ Farbstoffe untersucht. Während der Kompression nimmt die zytosolische Ca2+-Fluoreszenz dramatisch ab, die mitochondriale Rhod-2 Ca2+-Fluoreszenz stark zu. Zwischen 10 MPa und 30 MPa ändert sich die zytosolische Fluo-4 Fluoreszenz nicht mehr, mitochondriales Ca2+ nimmt jedoch weiter zu. Hält man den Druck bei 35 MPa, blieben beide Signale bis ca. 30 min stationär, danach fällt die Rhod-2 Fluoreszenz plötzlich ab, um während sofort eingeleiteter Dekompression sich wieder zu erholen (s.Abb.). Hieraus (und aus weiteren Daten) ergibt sich folgendes Modell (s. Abb.): während Kompression erhöht sich das sarkoplasmatische Ca2+ leak; der zytosolische Anstieg der Ca2+ Konzentration wird durch Mitochondrien abgepuffert. Nach einem bestimmten ‚Druck x Expositionszeit‘-Produkt (z.B. 25 min @ 35 MPa) bricht die Mitochondrien-Funktion zusammen, Ca2+ wird wieder ins Zytosol zurückgeführt, wo die moderate Erhöhung der Ca2+ Konzentration nun auf einen de-regulierten kontraktilen Apparat trifft (Verlust von Troponin-T). Dies triggert die langsame, irreversible Kontraktur, welche die Muskelzell-Funktion nachhaltig schädigt.

Bedeutung für Drucktoleranz von Meeressäugern

Die gefundenen Drucktoleranz-Stufen von ca. 25 min x 35 MPa Druck-Expositionszeit-Produkten entsprechen erstaunlicherweise den tiefsten registrierten Tauchprofilen von Meeressäugern. Der gefundene Mechanismus der Druck-Gewebewechselwirkung zeigt einen spezifischen Mechanismus anstatt eine unspezifische Druckschädigung. Vielleicht ist die Skelettmuskulatur von Tiefsee-Säugern das eigentlich tiefenlimitierende Organ. Eine Hypothese hierzu ist, daß bei tiefen Tauchgängen ab einem Schwellen ‚Druck-Zeit-Produkt‘ die Muskulatur beginnt, sich irreversible zu kontrahieren. Dies führt zu einer zunehmenden Muskelsteifigkeit, welche im Beginn als Signal zum Auftauchen fungieren könnte.

Literatur

  • Friedrich O, v Wegner F, Hartmann M, Frey B, Sommer K, Ludwig H, Fink RH (2006). ‘In situ’ high pressure confocal Ca2+-fluorescence microscopy in skeletal muscle: a new method to study pressure limits in mammalian cells. Undersea Hyperb Med 33(3): 181-195.
  • Friedrich O, Kress KR, Hartmann M, Frey B, Sommer K, Ludwig H, Fink RH (2006). Prolonged high-pressure treatments in mammalian skeletal muscle result in loss of functional sodium channels and altered calcium channel kinetics. Cell Biochem Biophys 45(1): 71-83.