Geïnspireerd door hoe geometrie fysieke systemen zoals zachte materie beïnvloedt, onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania hebben verrassende inzichten onthuld in hoe de fysica van moleculen in een cel het gedrag van de cel beïnvloedt.

"Cellen hebben een skelet net zoals wij een skelet hebben, " zei Nathan Bade, een afgestudeerde student aan de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering aan de School of Engineering and Applied Science, "en, net als ons skelet, het is stijf. We wilden begrijpen hoe dat stijve skelet zou reageren op geometrie."

De onderzoekers richtten zich op vasculaire gladde spiercellen, dat zijn de soorten cellen die een groot deel van de grote bloedvaten bij zoogdieren vormen. Volgens Bade, wetenschappers zouden kunnen verwachten dat de cel probeert te buigen. Echter, de onderzoekers ontdekten dat de cellen op een cilindrisch oppervlak eigenlijk zeer gebogen skeletten vormen. Dat vonden ze ook, door het skelet van de cellen te manipuleren, ze konden het uitlijningspatroon van het skelet recapituleren dat ze in vivo zagen.

"Het meest opwindende dat we ontdekten, is dat geometrie er echt toe doet als het gaat om celgedrag, " zei Bade. "Ik denk dat het iets is dat enigszins over het hoofd is gezien in vergelijking met stijfheid en andere belangrijke omgevingsfactoren."

Het onderzoek werd geleid door Bade, werken onder leiding van Kathleen Stebe, de Richer &Elizabeth Goodwin Professor bij de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering en plaatsvervangend decaan voor onderzoek en innovatie; Randall Kamien, de Vicki en William Abrams Professor in de Natuurwetenschappen in het Departement Natuur- en Sterrenkunde aan de School of Arts and Sciences; en Richard K. Assoian, hoogleraar farmacologie aan Penn's Perelman School of Medicine. Hun paper werd gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

"We weten al dat zoogdiercellen interageren met grenzen, ' zei Stebe. 'Bijvoorbeeld als cellen worden gekweekt op oppervlakken met verschillende stijfheid, ze organiseren anders. Dat maakte ons geïnteresseerd in deze kwestie van geometrie:kan een cel de vorm van zijn grens zien? En we hebben ons aanvankelijke werk gericht op cilindrische structuren omdat ze zo gewoon zijn in de biologie."

Om dit te onderzoeken, Bade gecoate cilinders met moleculen waardoor ze aan cellen hechten en keken en verzamelden vervolgens informatie over hoe de cellen zich gedroegen toen ze groeiden op een gebogen grens. De onderzoekers gebruikten een krachtige confocale microscoop die hen driedimensionale informatie over de systemen voorzag.

De onderzoekers konden de stressvezels behandelen, het actieve cytoskelet in de cellen, zodat ze zouden fluoresceren. Een laser gebruiken om licht te verzamelen van zeer kleine delen van een monster, de confocale microscoop elimineerde al het onscherpe licht. Dit leverde een afbeelding met hoge resolutie op vanuit een smal vlak, waardoor de onderzoekers konden zien dat de populatie van stressvezels die bovenop de cel zat, anders was uitgelijnd dan een andere populatie eronder.

Ze ontdekten dat de grootte van de cilinder de reactie van de cel beïnvloedde:hoe groter de cilinder, wat resulteert in een meer vlakke geometrie, hoe minder de spanningsvezels op één lijn liggen. Omdat kleinere cilinders een grotere kromming hebben, de spanningsvezels zijn sterker uitgelijnd om hen heen.

"Eén populatie van spanningsvezels is uitgelijnd langs de as, en de andere wikkelt zich om de cilinder, ' zei Stebe. 'Er is een heel duidelijk patroon; het is niet subtiel. Dus toen vroegen we waarom dit gebeurde."

Een medicijn gebruiken dat speciaal is ontworpen om Rho in cellen te activeren en de stressvezels dikker en mogelijk stijver te maken, de onderzoekers gingen op zoek of deze toename in stijfheid de spanningsvezels zou ontmoedigen om zich rond de cilinder te wikkelen. Maar, tot hun verbazing, de onderzoekers ontdekten dat deze behandeling de vezels die langs de as waren uitgelijnd volledig elimineerde en de omwikkelde vezels dikker maakte.

"De reorganisatie is heel opvallend, ' zei Stebe. 'We zien het als de cellen die berekeningen maken; de cellen voelen en reageren op de onderliggende kromming. Blijkbaar, kromming is een cue die een zeer sterke rol speelt, zowel in de organisatie van de cel zelf als van de microstructuur in de cel. Deze populaties van stressvezels kunnen worden gemanipuleerd met medicijnen die de stijfheid, onder andere. En, na deze manipulaties, de spanningsvezels behouden zeer sterke uitlijningen. Dit is niet het gebruikelijke argument voor patroonvorming in de biologie."

Om deze resultaten op te volgen, het team doet verder onderzoek naar krommingssignalen en complexere geometrieën en grenzen.

"De resultaten van dit artikel zijn echt interessant, "Bad zei, "maar het liet een hoop open vragen voor ons achter. Een daarvan is het echt begrijpen van de mechanistische details. Wat er precies met de cel aan de hand is om ervoor te zorgen dat de ene populatie erg gebogen is en de andere erg recht, is nog steeds een mysterie om ons. we zijn nu bezig met het maken van complexere gebogen oppervlakken om te zien hoe de cellen reageren wanneer ze worden geconfronteerd met een veel uitdagender krommingsveld."

Volgens Bade, dit onderzoek heeft een fundamentele bevinding opgeleverd die licht werpt op hoe cellen omgaan met hun omgeving, wat cruciaal is om te begrijpen wat cellen in het menselijk lichaam doen.

"Er is baanbrekend werk verricht aan de Universiteit van Pennsylvania om te begrijpen hoe cellen stijfheid voelen, "Bad zei, "wat een omgevingsstimulus is die geen oplosbaar chemisch signaal is. En dat blijkt erg belangrijk te zijn bij kanker en allerlei ziektetoestanden. Ik denk dat het ook belangrijk is om te begrijpen hoe cellen geometrie voelen en erop reageren."

De onderzoekers hebben ook aangetoond dat, op het meest basale niveau, ze kunnen de interne structuur van de cel vormen. De patronen in die structuren hebben belangrijke implicaties voor stroomafwaarts celgedrag zoals migratie en proliferatie. Het vermogen van deze cellen om zich snel te delen en te migreren kan worden beïnvloed door geometrie en kromming.

"Van het vermogen om te organiseren komt het vermogen om te ondervragen, "Zei Assoian. "Dit zou een mooi hulpmiddel kunnen zijn waarmee we de cel en zijn onderbouw kunnen ordenen voor andere ondervragingen. Het is ook een interessante vraag, als je structuren opbouwt uit cellen, geeft deze organisatie van de cel en zijn substructuren een nieuwe respons in verder identieke cellen? Het zou heel interessant zijn om samen te werken met mensen die nadenken over hoe cellen te gebruiken bij wondgenezing, of celgrensinteracties voor implantaten.

"Naast het nieuwe inzicht in de fundamentele principes die cellen gebruiken om oppervlaktegeometrieën te interpreteren, dit onderzoek zou verreikend kunnen zijn om te begrijpen hoe gladde spiercellen en hun cytoskeletten bijdragen aan de vorming van bloedvaten tijdens de ontwikkeling en misschien zelfs hoe ze hun bloedvaten hermodelleren bij vaatziekten. En omdat we ontdekken dat deze reactie op geometrie niet beperkt is tot gladde spiercellen, geometrie-sensing zou een nieuwe grens kunnen worden in een breed scala aan biologieën."

Stebe zei, "Dat is het leuke van wetenschap en techniek:een kleine nieuwe tool kan al het andere raken. En deze bevinding is een dramatische reorganisatie. Dus wat raakt het nog meer?"