Vorig jaar, onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania onthulden verrassende inzichten in hoe cellen reageren op oppervlaktekromming. specifiek, ze onderzochten hoe cellen reageren op cilindrische oppervlakken, die veel voorkomen in de biologie. Ze ontdekten dat cellen de statische configuraties van hun vormen en interne structuren veranderen.

"We zien het als de cellen die calculus doen; de cellen voelen en reageren op de onderliggende kromming, ", zegt Kathleen Stebe van Penn's School of Engineering and Applied Science.

Nutsvoorzieningen, de onderzoekers, geleid door Stebe en recent afgestudeerd ingenieur Nathan Bade in samenwerking met Randall Kamien van de School of Arts and Sciences en Richard Assoian van de Perelman School of Medicine, hebben een vervolgstudie gepubliceerd die Stebe vergelijkt met "calc III" voor cellen, onderzoeken hoe cellen reageren op complexere geometrieën. Het onderzoek, die nieuwe hulpmiddelen in de biologie mogelijk zouden kunnen maken en van invloed zouden kunnen zijn op hoe artsen zaken behandelen als vaatziekten, is gepubliceerd in de Biofysisch tijdschrift .

De onderzoekers creëerden een ander oppervlak dan cilinders die ze een 'bol-met-rok' noemen. Zoals de naam al doet vermoeden, het bovenste gedeelte van het oppervlak is bolvormig, maar, als je aan beide kanten verder langs het oppervlak reist, het vormt een rok die zadelachtig van vorm is. Daarom, het oppervlak heeft op elk punt twee principiële krommingen die niet gelijk zijn aan nul; het bolvormige gedeelte heeft een zogenaamde positieve Gauss-kromming, terwijl de rok een negatieve Gauss-kromming heeft.

"We hebben deze heel interessante kleine berg aan de cellen gegeven, "Stebe zegt, "en zei, Wat ga je doen met deze gladde berg die je deze verschillende krommingen geeft? En het blijkt dat deze cellen heel slim zijn. Ze veranderen niet alleen hun vormen en interne structuren, maar ze bewegen op dramatisch verschillende manieren die nieuwe vragen oproepen over hoe cellen bewegen."

Cellen op stijve oppervlakken vormen spanningsvezels, bestaande uit actine- en myosinemotoren. In de vorige studie, vonden de onderzoekers dat, verrassend genoeg, op een cilindrisch oppervlak buigen de cellen sommige van de spanningsvezels in feite langs de richting van maximale kromming. Hoewel een populatie van spanningsvezels die zich boven de celkern bevindt langs de cilinderas is uitgelijnd, een andere onder de kern gewikkeld rond de cilinderomtrek. Dat vonden ze ook, door het ctyoskelet van de cellen te manipuleren, ze konden het uitlijningspatroon van het cytoskelet recapituleren dat ze in vivo zagen.

In dit meest recente werk vonden de onderzoekers dat, opnieuw, de populatie spanningsvezels boven de kern bleef zo ​​recht mogelijk en vervolgens onder de kern een tweede populatie gewikkeld in de richting waarin ze het meest gebogen zijn. Net als in het vorige onderzoek, de twee populaties uitgelijnd langs de twee hoofdrichtingen van het oppervlak.

Om dit te onderzoeken, Bade bedekte de bol-met-rok met moleculen om het aan cellen te laten hechten en keek toen hoe de cellen zich gedroegen toen ze naar het oppervlak migreerden. De onderzoekers gebruikten een krachtige confocale microscoop die driedimensionale informatie over de systemen verschafte.

De onderzoekers konden de stressvezels behandelen, een onderdeel van 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, net als in het vorige onderzoek, de ene populatie vond een manier om zo recht mogelijk te blijven en de andere vond een manier om zoveel mogelijk te buigen.

"De apicale spanningsvezels die zo recht mogelijk wilden blijven, vonden een manier om recht te blijven door brugachtige akkoorden te vormen over de holle opening, "Bad zegt, "De basale spanningsvezels wikkelden zich om de functie en waren erg gebogen."

De onderzoekers bestudeerden vervolgens de oriëntaties van de twee spanningsvezelpopulaties als functie van de oppervlaktekromming. Ze ontdekten dat cellen die het zwak gebogen deel van het oppervlak ervaren, geen voorkeursoriëntatie hadden voor hun apicale spanningsvezels, maar degenen die geconfronteerd worden met de meer uitdagende kromming, oriënteerden hun apicale spanningsvezels zeer sterk, wijzend naar het midden van de functie. Dit opende de vraag wat voor impact dit heeft op belangrijk celgedrag.

"Cellen zien dit soort grenzen en oppervlakken in ons lichaam, " zegt Bade. "Klieren en vaten hebben de soorten krommingsvelden die we hebben vastgelegd in het bol-met-rokoppervlak. Sommige soorten tumoren hebben ook deze complexe krommingen. Kromming is overal. We zijn niet gemaakt van vliegtuigen."

Volgens Bade, dit onderzoek toont aan dat deze geometrische aanwijzingen een diepgaande invloed hebben op de organisatie van het cytoskelet, wat belangrijk is voor celgedrag zoals migratie, hoe cellen in ons lichaam bewegen.

"We wilden ontdekken hoe de geometrie van de bol met rok de celmigratie zou beïnvloeden als dat al het geval was, " zegt Bade. "We zagen dat de cellen langs de rok zouden migreren, maar, zodra ze de bolvormige dop vonden, ze stopten eigenlijk met migreren in de radiale richting. De cellen verkennen deze dop, maar ze weigeren ernaartoe te migreren. Dit is in feite een gebied van afstoting van de kromming naar de cel. De cellen veranderen eigenlijk hun polarisatie; je kunt zien dat ze bijna 90 graden draaien en beginnen te migreren rond de functie."

Bade en Stebe zijn van mening dat kromming in feite de relatie tussen de richting waarin spanningsvezels zijn georiënteerd en de migratierichting zou kunnen veranderen. Dit suggereert dat de apicale spanningsvezels, die meestal leiden tot migratie, in belang afnemen, en de basale populatie neemt het over.

"In vliegtuigen, de apicale spanningsvezels zijn altijd verantwoordelijk voor het rijden, "Stebe zegt, "maar ineens grijpen de basale spanningsvezels het stuur. Dit laat veel open vragen achter. Het is een van die echt opwindende stukken werk omdat de resultaten zo duidelijk zichtbaar zijn in de gegevens, maar de mechanismen zijn helemaal niet triviaal. Het is echt opwindend dat het stellen van een ogenschijnlijk naïeve vraag je in een ruimte met geweldige open vragen kan trekken en dat de duidelijkheid van de gegevens, de betekenis van de resultaten, de manier waarop de cel deze aanwijzingen absoluut gehoorzaamde, was adembenemend voor mij."

Volgens Bade, het begrijpen van weefselstijfheid en de rol ervan bij het veranderen van celgedrag heeft dramatische implicaties gehad voor de gezondheidszorg en hoe onderzoekers ziekten zoals kanker benaderen. Dit nieuwe werk suggereert dat krommingsvelden die zichtbaar zijn voor het oog ook een belangrijke aanwijzing zijn. Als we dat in gedachten houden bij het bekijken van ziektetoestanden, Bade zegt, kan van invloed zijn op hoe mensen zaken als vaatziekten begrijpen.

Stebe zegt dat de vragen die dit onderzoek oproept, de weg kunnen banen naar nieuwe hulpmiddelen in de biologie.

"In wetenschap en techniek, als we eenmaal weten dat we iets kunnen organiseren, we kunnen een manier vinden om het te gebruiken, "zegt ze. "Dus hier bijvoorbeeld, er zijn interessante vragen over hoe de kern interageert met de omringende entiteiten in een cel. En nu hebben we twee leuke manieren om de kern-onder-spanningsvezels op cilinders op te sluiten, die de kern samendrukken, en onder de akkoorden die de kern omhullen zonder deze samen te drukken. Deze resultaten zijn interessant voor collega-onderzoekers, die ons kan helpen verder in de biologie te reiken om te vragen naar de implicaties van deze effecten op genexpressie en het lot van cellen."