In je lichaam, celbeweging speelt een cruciale rol in veel belangrijke biologische processen, inclusief wondgenezing, immuunreacties en de mogelijke verspreiding van kanker.

"De meeste mensen gaan niet dood aan het hebben van een primaire tumor, " zei Kolade Adebowale, een afgestudeerde student chemische technologie, en lid van het Chemical Biology Interface (CBI) graduate programma in Chemistry, Engineering &Medicine for Human Health (ChEM-H) aan de Stanford University. "Het probleem is wanneer kankercellen van de tumor het vermogen krijgen om uit te zaaien of naar verschillende delen van het lichaam te gaan."

Als een poging om studies naar celmigratie vooruit te helpen, Adebowale en collega's in het laboratorium van Ovijit Chaudhuri, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan Stanford, hebben gewerkt aan het ontwikkelen en testen van nieuwe soorten materiaal die het echte weefsel dat cellen omringt nauw imiteren. Nieuwe bevindingen voortgebouwd op dit werk, gepubliceerd 19 april in Natuurmaterialen , wijzig de "leerboek"-visie van celmigratie en breng een beter inzicht in de impact van de elastische en viskeuze eigenschappen van een materiaal op cellen.

"We ontdekten dat het een groot verschil maakt of de kankercellen zich op een zeer stijf plastic bevinden of op een zacht en visco-elastisch materiaal, als een Jell-O, " zei Adebowale, wie is de hoofdauteur van het artikel. "Dit draagt ​​bij aan veel recent bewijs dat het gedrag van kanker niet alleen om de kankercellen gaat, maar ook om de omgeving waarmee de kankercellen interageren."

Als domme stopverf

Celmigratie wordt traditioneel bestudeerd op een harde, transparant stuk polymeer genaamd "weefselkweekplastic" of elastische hydrogels, zoals zachte contactlenzen. Op basis van deze onderzoeken, de huidige overtuiging is dat cellen niet kunnen migreren op hydrogels die te zacht zijn. Echter, de onderzoekers proberen de echte biologische weefsels na te bootsen waarop cellen migreren - die zacht en niet puur elastisch zijn, als een rubberen band, maar visco-elastisch.

"Het zijn stevige materialen, maar ze hebben ook viskeuze en vloeibare eigenschappen waardoor ze over langere tijdschalen kunnen stromen, ' zei Adebowale.

Voorbeelden van visco-elastische materialen zoals die voor het onderzoek zijn gemaakt, zijn brooddeeg, mozzarella en gekke stopverf, volgens Chaudhuri. Deze materialen zijn aanvankelijk bestand tegen vervorming, als een elastisch materiaal, maar verslap die weerstand in de loop van de tijd.

Toen de onderzoekers de beweging van kankercellen op hun meer weefselachtige substraat bestudeerden, de resultaten waren in tegenspraak met de bestaande verwachtingen.

"We ontdekten dat wanneer het substraat visco-elastisch is, de cellen kunnen behoorlijk robuust migreren, ook al is het zacht, " zei Chaudhuri, wie is senior auteur van het artikel.

Uit de studie bleek niet alleen dat cellen kunnen migreren op zachte, visco-elastische substraten, de onderzoekers ontdekten ook dat de migratiebeweging uniek is. Op een stijve, 2D-oppervlak zoals weefselkweekplastic, cellen hechten aan het oppervlak en vormen een waaiervormig uitsteeksel. Dit uitsteeksel, een lamellipodium genoemd, drijft voorwaartse beweging door de voorrand naar voren te verlengen en van het oppervlak af te duwen. Op de visco-elastische materialen die het team heeft gemaakt, de cellen verspreidden zich niet zo uitgebreid. In plaats daarvan, ze gebruikten dun, spike-achtige uitsteeksels genaamd filopodia om hun beweging aan te drijven. Verder, hun experimenten toonden aan dat de cellen een zogenaamde "moleculaire koppeling" gebruiken om op de substraten te migreren.

"Stel je voor dat je op ijs beweegt. Als je niet genoeg hechting aan het ijs hebt, en probeer te rennen, je gaat nergens heen, "zei Chaudhuri. "Je hebt echt een sterke greep nodig om af te zetten en vooruit te komen. Dat is wat de moleculaire koppeling voor cellen doet."

Robuust migrerende cellen op harde weefselkweekkunststof vormen sterke hechtingen aan het substraat. De auteurs merkten op dat cellen op zachte, visco-elastische substraten kunnen ook robuust migreren, maar belangrijk, deze cellen kunnen dit met minder, zwakke verklevingen - alsof de cellen op hun tenen bewegen, niet hun hele voet.

"Ik denk dat het meest verrassende was dat de materiële eigenschap - visco-elasticiteit - zo'n dramatische impact kan hebben op het vermogen van cellen om te migreren, ' zei Adebowale.

Visco-elasticiteit en celcultuur

Het feit dat de manier van celmigratie die de onderzoekers hebben waargenomen niet wordt gezien op harde substraten of substraten die alleen elastisch zijn, laat zien hoe visco-elasticiteit essentieel is voor het gedrag van cellen - en daarom belangrijk om te repliceren in toekomstige studies.

"Dit daagt de leerboekweergave uit van hoe we celmigratie begrijpen, " zei Chaudhuri. "Cellen migreren anders op visco-elastisch weefsel dan op glas, plastic petrischalen of elastische gels. Dus, als we celmigratie willen bestuderen, we moeten visco-elastische substraten gebruiken."

Terwijl de studie keek naar eencellige migratie, kankercellen migreren als een groep in het lichaam en verschillende stadia van ontwikkeling omvatten de collectieve beweging van cellen. Volgende, de onderzoekers hopen de vraag te beantwoorden hoe visco-elasticiteit de collectieve celmigratie beïnvloedt.