Migrerende cellen moeten fysieke barrières overwinnen, zoals nauwe poriën in fijnmazige weefsels. Een recent onderzoek door een team van LMU-biofysici biedt een nieuwe theorie om te beschrijven hoe cellen in dergelijke beperkende omgevingen manoeuvreren.

In het menselijk lichaam, er is een constante beweging van migrerende cellen. Immuun- en kankercellen zijn bijzonder beweeglijk, en kunnen zich een weg banen door verschillende barrières en dunmazig weefsel. Een samenwerking van experts in theoretische en experimentele biofysica onder leiding van prof. Chase Broedersz en prof. Joachim Rädler van LMU München heeft nu een nieuwe manier voorgesteld om de migratie van opgesloten cellen te bestuderen met behulp van een datagestuurde benadering. De resultaten worden online gepubliceerd in Natuurfysica .

Heen en weer knijpen tussen de twee eilanden

De sleutel tot hun aanpak was het bestuderen van een migrerende cel in een kunstmatige beperkende micro-omgeving. Deze micro-omgeving bestaat uit twee eilanden waarop een cel comfortabel kan zitten, die zijn verbonden door een smalle brug. Ze zijn bedekt met een eiwit waaraan de cel kan hechten, terwijl de omgeving niet toegankelijk is voor de cel. De vernauwing vormt een hindernis voor de migrerende cel, die zich een weg moet banen. Met behulp van time-lapse microscopie, de onderzoekers volgden hoe de cellen bewegen:borstweefselcellen blijven niet alleen zitten, ze knijpen verwoed heen en weer tussen de twee eilanden. Door honderden cellen te zien migreren op deze micropatronen, het team onthulde de dynamiek van hoe cellen dergelijke fysieke obstakels overwinnen.

Cruciaal voor het succes van dit onderzoek was de nauwe samenwerking tussen theorie en experiment. "We hebben ervoor gezorgd dat het ontwerp van de beperkende omgeving waarin de cellen migreren zo eenvoudig en controleerbaar mogelijk is, " legt Joachim Rädler uit. "Hierdoor kunnen we een big data-aanpak gebruiken."

Fluctuaties uitfilteren

Het theoretische model dat de biofysici voorstellen is een bewegingsvergelijking. Dit komt qua geest overeen met de vergelijkingen die veel fysieke systemen beschrijven, zoals de beweging van de planeten rond de zon. Cellen zijn echter veel kleiner en hun beweging wordt sterk beïnvloed door inherente fluctuaties. "Met ons model, we waren in staat om het voorspelbare te ontwarren, deterministische componenten van het willekeurige deel van de beweging, de schommelingen, Chase Broedersz legt uit. "Hierdoor begrijpen we hoe cellen op betrouwbare wijze migratietaken kunnen uitvoeren, ondanks al deze willekeurige invloeden."

Door de fluctuaties in het gedrag van de cel uit te filteren, de wetenschappers ontdekten dat borstkankercellen en gezonde borstcellen verschillende beweeglijkheidsgedragingen hebben. "Onze datagestuurde aanpak in combinatie met kunstmatige micropatronen stelt ons in staat om karakteristieke kenmerken van de cellen te onthullen, " zegt David Brückner, de eerste auteur van de studie. "Het afgeleide model biedt daarom een ​​'motiliteitsvingerafdruk' die verschillende celtypen onderscheidt."

Chase Broedersz concludeert:"Onze nieuwe benadering beschrijft beperkte celmigratie met behulp van dynamische systeemtheorie en laat zien hoe cellen zich aanpassen aan beperkte omgevingen. Dit zou ook toepassingen kunnen hebben voor de kwantitatieve beoordeling van celgedrag in complexere biologische omgevingen."