In der Mechanobiologie gelten die Kräfte von Zellen als grundlegend für ihre verbesserte Funktion, einschließlich der schnellen Migration. Eine Gruppe von Forschern der McKelvey School of Engineering an der Washington University in St. Louis hat jedoch herausgefunden, dass Zellen eine geringere Kraft erzeugen und anwenden können, sich aber schneller bewegen können als Zellen, die hohe Kräfte erzeugen und verwenden, was die uralte Annahme von Kraft auf den Kopf stellt .
Das Labor von Amit Pathak, Professor für Maschinenbau und Materialwissenschaften, fand heraus, dass sich Zellgruppen schneller und mit geringerer Kraft bewegen, wenn sie mit ausgerichteten Kollagenfasern an weiche Oberflächen haften. Es wurde angenommen, dass Zellen kontinuierlich Kräfte erzeugen, da sie für ihre Bewegung die Reibung und den Widerstand ihrer Umgebung überwinden müssen. Dieser herkömmliche Kräftebedarf kann jedoch bei günstigen Umgebungsbedingungen, beispielsweise bei ausgerichteten Fasern, reduziert werden. Ihre Ergebnisse, veröffentlicht in PLOS Computational Biology 9. Januar, sind die ersten, die diese Aktivität bei der kollektiven Zellmigration zeigen.
Pathak und Mitglieder seines Labors haben jahrelang die Bewegung menschlicher Brustepithelzellen verfolgt und dabei festgestellt, dass sich Zellen auf einer harten, steifen Oberfläche schneller bewegen als auf einer weichen Oberfläche, wo sie stecken bleiben. Ihre Forschung hat Auswirkungen auf die Krebsmetastasierung und Wundheilung.
In der neuen Forschung fanden sie heraus, dass Zellen auf ausgerichteten Kollagenfasern mehr als 50 % schneller wanderten als auf zufälligen Fasern. Darüber hinaus fanden sie heraus, dass Zellen ausgerichtete Fasern als Richtungshinweise verwenden, um ihre Wanderung zur Erweiterung ihrer Gruppe zu steuern.
„Wir haben uns gefragt, ob die Zellen schnell weitermachen können, ohne mehr Kraft zu erzeugen, wenn man eine Kraft ausübt und es keine Reibung gibt?“ sagte Pathak. „Wir haben erkannt, dass es wahrscheinlich von der Umgebung abhängt. Wir dachten, dass sie auf ausgerichteten Fasern, wie etwa auf Eisenbahnschienen, schneller wären, aber was überraschend war, war, dass sie tatsächlich geringere Kräfte erzeugten und trotzdem schneller waren.“
Amrit Bagchi, der 2022 in Pathaks Labor bei McKelvey Engineering seinen Doktortitel in Maschinenbau erlangte und jetzt Postdoktorand am Center for Engineering MechanoBiology der University of Pennsylvania ist, hat große Anstrengungen unternommen, um die Forschung aufzubauen. Bagchi stellte während der COVID-19-Pandemie über viele Monate hinweg im Labor von Marcus Foston, außerordentlicher Professor für Energie-, Umwelt- und Chemieingenieurwesen, ein weiches Hydrogel her und richtete die Fasern dann mithilfe eines speziellen Magneten an der School of Medicine aus, bevor er die Zellen aufsetzte es, um ihre Bewegung zu verfolgen.
Bagchi entwickelte ein mehrschichtiges Motor-Kupplungs-Modell, bei dem die krafterzeugenden Mechanismen in den Zellen als Motor fungieren und die Kupplung für die Traktion der Zellen sorgt. Bagchi hat das Modell für die kollektiven Zellen fachmännisch umgewandelt, indem er drei Schichten verwendet hat – eine für Zellen, eine für die Kollagenfasern und eine für das darunter liegende maßgeschneiderte Gel – die alle miteinander kommunizierten.
„Obwohl uns die experimentellen Ergebnisse zunächst überraschten, gaben sie den Anstoß, ein theoretisches Modell zu entwickeln, um die Physik hinter diesem kontraintuitiven Verhalten zu erklären“, sagte Bagchi. „Im Laufe der Zeit haben wir verstanden, dass Zellen ausgerichtete Fasern als Stellvertreter für die Wahrnehmung von Reibungskräften auf eine Art und Weise nutzen, die sich erheblich vom Zufallsfaserzustand unterscheidet. Das Konzept unseres Modells der Matrix-Mechanosensierung und -Übertragung sagt auch andere bekannte kollektive Migrationsverhalten voraus. wie Haptotaxis und Durotaxis und bietet Wissenschaftlern einen einheitlichen Rahmen zur Erforschung und potenziellen Ausweitung auf andere interessante Zellmigrationsphänotypen.“
