De menselijke huid is een opmerkelijk orgaan dat dient als een barrière die ons beschermt tegen ziekteverwekkers, giftige stoffen en andere. Onze huid moet gedurende ons hele leven voortdurend worden vernieuwd en van grootte veranderen om perfect te passen en het lichaam te bedekken. Om zo'n complex en dynamisch gedrag te vervullen, heeft elke cel in de huid een specifieke taak, afhankelijk van zijn positie. Wetenschappers van het Max Planck Instituut voor Biologie van Veroudering in Keulen hebben nu aangetoond dat celdichtheid en verdringing een cruciale rol spelen bij het instrueren van beslissingen over het lot van een enkele stamcel en de beweging van differentiërende cellen naar boven in het weefsel. Dit zorgt ervoor dat alle celtypen correct in het weefsel worden gepositioneerd.

De opperhuid van de volwassen huid is opgebouwd uit verschillende lagen. Stamcellen bevinden zich in de onderste laag waar het hun taak is om nieuwe cellen te produceren die vervolgens differentiëren en omhoog gaan naar de meer gespecialiseerde bovenste laag. Dit differentiatieproces omvat permanente veranderingen in de celeigenschappen die het best passen bij de barrièrefunctie van de huid. De huid moet een evenwichtig aantal stamcellen en gedifferentieerde cellen behouden, aangezien een verlies van het juiste evenwicht zou resulteren in een afwijkende weefselstructuur en dus functioneren. Hoe dit ingewikkelde evenwicht wordt gehandhaafd, bleef tot voor kort grotendeels onbekend.

"Aan het begin van ons onderzoek vroegen we ons af hoe de huidcellen weten waar ze zijn en wat ze moeten doen", legt Jekaterina Miroshnikova uit, hoofdauteur van de studie en postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Sara Wickström aan het Max Planck Institute for Biology of Ageing. De onderzoekers analyseerden embryonale muisweefsels en gekweekte stamcellen en vonden een elegant mechanisme op basis van mechanische geleiding.

Lokale stress veroorzaakt door crowding leidt tot differentiatie

"We hebben waargenomen dat het delen van stamcellen een lokaal verdringingseffect op de stamcellaag veroorzaakte, waardoor de cellen in de buurt van dit evenement werden vervormd. Intrigerend is dat deze compressie en vervorming veroorzaakte de differentiatie van de aangrenzende cel", legt Miroshnikova uit. De overvolle en samengedrukte cellen veranderen hun eigenschappen, wat leidt tot hun 'ontsnapping' aan de lokale spanning in de onderste laag en opwaartse beweging. "Het feit dat cellen voelen wat hun buren doen en precies het tegenovergestelde doen, biedt een zeer efficiënte en eenvoudige manier om de weefselgrootte te behouden, architectuur en functie", zegt Mirosjnikova.

Deze resultaten laten voor het eerst zien hoe een complex weefsel zoals de menselijke huid zijn structuur kan genereren en behouden door middel van zeer eenvoudige principes van zelforganisatie. In de toekomst, de groep zal een combinatie van computationele modellering en celbiologie blijven gebruiken om te ontdekken hoe genetische mutaties die optreden tijdens de proliferatie van kankertargetstamcellen en mechanica om dit proces te belemmeren.