Wenn wir uns in die Haut schneiden, eilen Gruppen von Zellen massenhaft an die Stelle, um die Wunde zu heilen.
Aber die komplizierte Mechanik dieser kollektiven Zellbewegung – die durch Neuanordnungen zwischen jeder Zelle und ihren Nachbarn erleichtert wird – hat es für Forscher schwierig gemacht, zu entschlüsseln, was sie tatsächlich antreibt.
"Wenn wir die Schlüsselfaktoren verstehen, die die Zellmigration verursachen, könnten wir vielleicht neue Behandlungen entwickeln, um die Wundheilung zu beschleunigen", sagt Jacob Notbohm, Assistenzprofessor für technische Physik an der University of Wisconsin-Madison.
Notbohm und der Doktorand Aashrith Saraswathibhatla machten kürzlich eine überraschende Entdeckung, die ein neues Licht darauf wirft, wie diese kollektive Zellmigration abläuft. Sie haben ihre Ergebnisse heute in der Zeitschrift Physical Review X detailliert beschrieben.
Durch Experimente fanden sie heraus, dass die Kraft, die jede Zelle auf die darunter liegende Oberfläche ausübt – mit anderen Worten, Traktion – der dominierende physikalische Faktor ist, der die Zellform und -bewegung steuert, wenn sich Zellen als Gruppe bewegen.
Notbohm sagt, dass dieser unerwartete Befund eine neue Interpretation neuerer theoretischer Modelle liefert.
Forscher wissen, dass die Zellform eine wichtige Rolle dabei spielt, wie sie sich neu anordnen und gemeinsam wandern. Zum Beispiel können kreisförmige Zellen, die innerhalb einer einzigen Schicht zusammengepackt sind, nicht einfach Positionen mit benachbarten Zellen austauschen; Denken Sie daran, Schulter an Schulter in einer großen Menschenmenge festzustecken, in der es unmöglich ist, sich zu bewegen.
Andererseits können Zellen mit länglicheren Formen leicht an ihren Nachbarn vorbeigleiten.
"Diese langen und dünnen Zellen können in unendlichen Konfigurationen gepackt werden, sodass sie sich sehr leicht neu anordnen lassen. Das erleichtert die Bewegung des Kollektivs", sagt Notbohm.
Da längliche Zellen größere Umfänge haben, haben die meisten Computermodelle vorhergesagt, dass die Kräfte an der Peripherie jeder Zelle am wichtigsten sind, um ihre Form zu bestimmen.
Notbohm und Saraswathibhatla machten sich daran, diese Theorie im Labor zu testen.
Ihre Experimente verwendeten fluoreszierende Bildgebung, um die Kräfte an der Peripherie jeder Zelle in einer einzelnen Schicht von Epithelzellen zu bewerten, einer Art von Zellen, die Oberflächen im Körper wie Haut und Blutgefäße auskleiden. Sie platzierten die Zellen auch auf einer weichen Geloberfläche und analysierten, wie sich das Gel verformte, wenn Zellen darüber wanderten. Mit dem Geltest konnten sie die Traktion quantifizieren oder wie stark die Zellen an der Oberfläche zerrten.
Außerdem verwendeten sie Chemikalien, um die von jeder Zelle erzeugten Kräfte zu verringern oder zu erhöhen, und untersuchten die Auswirkungen dieser Veränderungen.
Am Ende sagt Notbohm, dass ihre Experimente gezeigt haben, dass die Kraft, die eine Zelle auf die darunter liegende Oberfläche ausübt, in erster Linie ihre Form kontrolliert.
"Das war ziemlich überraschend, da die Schlüsselfaktoren, die den Umfang einer Zelle beeinflussen, unterhalb der Zelle liegen. Sie befinden sich nicht in der Nähe der Peripherie der Zelle", sagt er.
Und jetzt können sie sich auf das Wesentliche konzentrieren. Mit Blick auf die Zell-Substrat-Grenzfläche hofft Notbohm, weitere Fortschritte in diesem Bereich zu ermöglichen.
"Die gute Nachricht ist, dass die allgemeinen Phänomene der Modelle immer noch korrekt sind. Diese Entdeckung verändert lediglich unser Verständnis der Theorie", sagt er. „Das ist wirklich wichtig, denn um schließlich eine neue Intervention zur Beschleunigung der Wundheilung zu entwickeln, müssen Sie die Schlüsselfaktoren in der Zelle verstehen, die ihre Form und Bewegung beeinflussen.“
