In der Mechanobiologie wurden die Kräfte von Zellen als grundlegend für ihre verbesserte Funktion, einschließlich schneller Migration, angesehen. Eine Gruppe von Forschern der McKelvey School of Engineering an der Washington University in St. Louis hat herausgefunden, dass Zellen mit geringerer Kraft schneller bewegen können als Zellen, die hohe Kräfte erzeugen und nutzen, was die lang gehegte Annahme über die Zellmechanik in Frage stellt.
Das Labor von Amit Pathak, Professor für Maschinenbau und Materialwissenschaften, entdeckte, dass Zellgruppen mit weniger Kraft schneller bewegten, wenn sie an weichen Oberflächen mit ausgerichteten Kollagenfasern hafteten. Traditionell wurde angenommen, dass Zellen kontinuierlich Kräfte erzeugen müssen, um die Reibung und den Widerstand in ihrer Umgebung zu überwinden. Diese konventionelle Anforderung an Kräfte kann jedoch unter günstigen Bedingungen, wie z.B. ausgerichteten Fasern, reduziert werden. Ihre Ergebnisse, veröffentlicht in PLOS Computational Biology am 9. Januar 2025, sind die erste Demonstration dieses Phänomens in der kollektiven Zellmigration.
Pathak und die Mitglieder seines Labors haben die Bewegung menschlicher Brustepithelzellen über Jahre verfolgt und festgestellt, dass Zellen auf harten, steifen Oberflächen schneller migrieren als auf weichen Oberflächen, wo sie dazu neigen, immobilisiert zu werden. Die Implikationen dieser Forschung erstrecken sich auf die Metastasierung von Krebs und die Wundheilung.
In der neuen Studie fanden die Forscher heraus, dass Zellen mehr als 50 % schneller auf ausgerichteten Kollagenfasern migrierten als auf zufälligen Fasern. Darüber hinaus beobachteten sie, dass Zellen ausgerichtete Fasern als Richtungsanweisungen nutzen, um ihre Migration zur Gruppenerweiterung zu leiten.
„Wir fragten uns, ob man eine Kraft anwendet und es keine Reibung gibt, ob die Zellen schnell weitergehen können, ohne mehr Kraft zu erzeugen?“ bemerkte Pathak. „Wir erkannten, dass es wahrscheinlich von der Umgebung abhängt. Wir dachten, sie wären auf ausgerichteten Fasern schneller, wie auf Eisenbahnschienen, aber was überraschend war, ist, dass sie tatsächlich geringere Kräfte erzeugten und trotzdem schneller gingen.“
Amrit Bagchi, der 2022 in Pathaks Labor einen Doktortitel in Maschinenbau von McKelvey Engineering erwarb und jetzt Postdoktorand am Center for Engineering MechanoBiology an der University of Pennsylvania ist, spielte eine entscheidende Rolle bei der Einrichtung der Forschung. Bagchi stellte über mehrere Monate während der COVID-19-Pandemie ein weiches Hydrogel im Labor von Marcus Foston, außerordentlicher Professor für Energie-, Umwelt- und chemische Ingenieurwissenschaften, her. Danach richtete er die Fasern mithilfe eines speziellen Magneten an der School of Medicine aus, bevor er die Zellen darauf platzierte, um ihre Bewegung zu verfolgen.
Bagchi entwickelte ein mehrschichtiges Motor-Kupplungs-Modell, in dem die kraftgenerierenden Mechanismen in den Zellen als Motor fungieren und die Kupplung die Traktion bereitstellt. Dieses Modell wurde für kollektive Zellen angepasst und umfasste drei Schichten: eine für Zellen, eine für Kollagenfasern und eine für das darunter liegende maßgeschneiderte Gel, die eine Kommunikation untereinander ermöglichten.
„Obwohl die experimentellen Ergebnisse uns zunächst überrascht haben, gaben sie den Anstoß zur Entwicklung eines theoretischen Modells, um die Physik hinter diesem kontraintuitiven Verhalten zu erklären“, sagte Bagchi. „Im Laufe der Zeit kamen wir zu dem Verständnis, dass Zellen ausgerichtete Fasern als Proxy für das Erleben von Reibungskräften nutzen, auf eine Weise, die sich erheblich von der Bedingung mit zufälligen Fasern unterscheidet. Das Konzept der Matrixmechanosensierung und -übertragung in unserem Modell sagt auch andere bekannte kollektive Migrationsverhalten wie Haptotaxis und Durotaxis voraus, was einen einheitlichen Rahmen für Wissenschaftler bietet, um zu erkunden und möglicherweise auf andere interessante Phänotypen der Zellmigration zu erweitern.“