Biophysik: Im Thymus folgt die Form aus der Funktion

Ein von LMU-Biophysikern entwickeltes Modell zeigt, wie biologische Prozesse die verschlungene interne Architektur des Thymus formen – und so Autoimmunreaktionen besser unterdrücken können.

Der Thymus gehört zu den zentralen Organen des Immunsystems. Hier lernen die T-Zellen des Immunsystems, körpereigenes von körperfremdem Gewebe zu unterscheiden – ein entscheidender Schritt, um Autoimmunerkrankungen zu verhindern. Bemerkenswert ist der komplexe innere Aufbau des Thymus, dessen Struktur im Bereich des Thymusmarks, der sogenannten Medulla, stark verschlungen ist. Bislang war unklar, wie diese komplizierte Struktur entsteht und ob ihre Entstehung mit der Funktion des Organs in Zusammenhang steht.

Ein Team um den LMU-Biophysiker Prof. Erwin Frey hat nun ein theoretisches Modell entwickelt, das auf in Mäusen experimentell nachgewiesenen Signalwegen im Thymus basiert. Das Modell spiegelt die Entstehung der auffälligen Morphologie der Medulla wider und schlägt vor: Die verschlungene Form des Thymus ergibt sich direkt aus den biologischen Interaktionen, die für seine Funktion notwendig sind.

Der Schlüssel liegt in einer besonderen Rückkopplung, dem sogenannten „thymic cross-talk“: Im Thymus werden T-Zellen immunologisch geprägt und dafür mit verschiedenen Antigenen konfrontiert. In der Medulla wird getestet, ob die Zellen auf körpereigene Antigene reagieren – falls ja, werden diese Zellen eliminiert. Während sie eliminiert werden, senden die Zellen Signale aus, die das umliegende Gewebe zum Wachsen anregen. Das wachsende Gewebe wiederum beeinflusst, wo weitere T-Zellen getestet werden. „Aus dieser Interaktion ergibt sich eine selbstorganisierte, verschlungene Struktur“, sagt Frey. „Diese Architektur erlaubt eine effizientere Funktion des Organs. Ein runder Thymus wäre weniger effizient bei der Eliminierung autoreaktiver T-Zellen.“

Diese Erkenntnisse könnten auch über den Thymus hinaus für andere Organe von Bedeutung sein, betonen die Autoren. Das Modell zeigt beispielhaft, wie biologische Funktion räumliche Strukturen formen kann – und somit eine Organmorphologie generiert, die tief in der Funktion verankert ist. Es sagt nicht nur bekannte Beobachtungen korrekt voraus – etwa die Veränderungen der Thymusstruktur bei genetischen Mutationen – sondern liefert auch neue, experimentell überprüfbare Hypothesen.