Mechanismus, der es den Zellen ermöglicht, die Krümmung des Gewebes um sie herum wahrzunehmen

Die Zellen in Ihrem Körper können nicht sehen, aber sie können ihre Umgebung und ihre eigene Form wahrnehmen. Wissenschaftler der Universität Mons und des Institute of Science and Technology (IST) in Österreich haben nun durch Experimente und Theorie gezeigt, wie Zellen die Krümmung des sie umgebenden Gewebes erkennen können und wie dies ihre innere Funktion beeinflusst. Die Studie wurde veröffentlicht in Physik der Natur.

Gekrümmte Oberflächen finden sich überall in biologischem Gewebe. Sie bieten beispielsweise die erhöhte Oberfläche, die für die Nährstoffaufnahme im Darm oder den Gasaustausch in der Lunge erforderlich ist. Immer mehr Beweise deuten darauf hin, dass Zellen in der Lage sind zu erkennen, ob sie sich in flachen oder gekrümmten Umgebungen befinden. Die dreidimensionale Krümmung kann viele Prozesse wie die Zellbewegung, die Entwicklung von Stammzellen und sogar das Fortschreiten der Krankheit beeinflussen. Die zugrunde liegenden Mechanismen, durch die Zellen die Krümmung wahrnehmen und wie sie letztendlich ihr Verhalten bestimmen, sind jedoch weniger klar.

Jetzt eine Studie in Physik der Natur von einer Doktorandin geleitet Die Studentin Marine Luciano und der Professor Sylvain Gabriele von der Universität Mons in Belgien entdeckten in Zusammenarbeit mit dem Postdoktoranden Shi-Lei Xue und dem Professor Edouard Hannezo vom IST Austria neue Entdeckungen. Die Forscher entdeckten die Mechanismen, die das Verhalten von Zellen entsprechend der Krümmungsänderung der Umgebung regulieren.

Gabrieles Team reproduzierte die in lebendem Gewebe beobachteten Faltungsmuster auf sehr kontrollierte Weise, indem es eine Methode entwickelte, um Zellen auf gekrümmten Oberflächen mit weichen Hydrogelen zu züchten, Gelen, die aus langen Molekülen bestehen, die Wasser zwischen sich einschließen. Dies war wichtig, da es sehr schwierig ist, die Auswirkungen der Krümmung in komplexem lebendem Gewebe klar zu beobachten. Sie haben je nach ihrer eigenen Form viele Rückkopplungsschleifen, was die Unterscheidung von Ursache und Wirkung erschwert. Diese speziell konstruierten Oberflächen haben Täler und Berge mit Größen von einem Hundertstel bis Zehntel Millimeter. Experimente haben gezeigt, dass auf diesen Oberflächen gewachsene Zellen dazu neigen, sich über Berge zu verteilen und sich in Tälern anzusammeln.

Am IST Austria entwickelten Xue und Hannezo ein theoretisches Schlüsselmodell, das die experimentelle Verteilung von Zellen auf Oberflächen erklärt. Sie nutzten das einfache physikalische Prinzip der Energieminimierung. Ihr Zellmodell ist von der Physik des Schaums inspiriert und ermöglichte es zu verstehen, wie die Krümmung die Verteilung der Zellen auf der Oberfläche und damit auch deren Form und Dichte in einer Fläche bestimmt. Wir wussten bereits, dass Zellen die Dichte anderer Zellen um sie herum wahrnehmen können und dass dies ihre biochemische Maschinerie bestimmt. Daher werden Biochemikalien wie Yes-assoziierte Proteine ​​(YAPs) – Schlüsselmarker von Stammzellen – durch die Dichtemessung durch die Krümmung beeinflusst.

Diese Studie identifiziert, wie die Krümmungserkennung mehrere Wege in der Zellentwicklung beeinflusst. Eine solche interdisziplinäre Studie, die Physikalische Chemie, Zellbiologie und Theoretische Physik integriert, beleuchtet einmal mehr einen noch wenig verstandenen zellulären Mechanismus.