Onderzoekers van de Universiteit van Toronto, Johns Hopkins University en Vanderbilt University hebben ontdekt dat bepaalde cellen verrassend sneller bewegen in dikkere vloeistof - denk aan honing in tegenstelling tot water, of slijm in tegenstelling tot bloed - omdat hun gegolfde randen de viscositeit van hun omgeving voelen en aanpassen om hun snelheid te verhogen.

Hun gecombineerde resultaten in kanker- en fibroblastcellen - het type dat vaak littekens in weefsels veroorzaakt - suggereert dat de viscositeit van de omgeving van een cel een belangrijke bijdrage levert aan de ziekte en kan helpen bij het verklaren van tumorprogressie, littekens in met slijm gevulde longen die zijn aangetast door cystic fibrose en het wondgenezingsproces.

De studie, "Membrane ruffling is a mechanosensor of extracellulaire vloeistofviscositeit", vandaag gepubliceerd in Nature Physics , werpt nieuw licht op celomgevingen, een onderbelicht onderzoeksgebied.

"Dit verband tussen celviscositeit en hechting is nog nooit eerder aangetoond", zegt Sergey Plotnikov, assistent-professor in de afdeling Cel- en Systeembiologie van de Faculteit der Kunsten en Wetenschappen van de Universiteit van Toronto en een co-corresponderende auteur van de studie . "We ontdekten dat hoe dikker de omgeving, hoe sterker de cellen aan het substraat hechten en hoe sneller ze bewegen - net zoals lopen op een ijzig oppervlak met schoenen met spikes, versus schoenen zonder enige grip."

Begrijpen waarom cellen zich op deze verrassende manier gedragen, is belangrijk omdat kankertumoren een stroperige omgeving creëren, wat betekent dat zich verspreidende cellen sneller in tumoren kunnen bewegen dan niet-kankerachtige weefsels. Omdat de onderzoekers zagen dat kankercellen versnellen in een verdikte omgeving, concludeerden ze dat de ontwikkeling van gegolfde randen in kankercellen kan bijdragen aan de verspreiding van kanker naar andere delen van het lichaam.

Aan de andere kant kan het richten op de verspreidingsreactie in fibroblasten de weefselbeschadiging in de met slijm gevulde longen die zijn aangetast door cystische fibrose, verminderen. Omdat gegolfde fibroblasten snel bewegen, zijn ze het eerste type cellen dat door het slijm naar de wond gaat, wat eerder bijdraagt ​​aan littekens dan aan genezing. Deze resultaten kunnen ook impliceren dat door de viscositeit van het longslijm te veranderen, men de celbeweging kan controleren.

"Door te laten zien hoe cellen reageren op wat er om hen heen is en door de fysieke eigenschappen van dit gebied te beschrijven, kunnen we leren wat hun gedrag beïnvloedt en uiteindelijk hoe we het kunnen beïnvloeden", zegt Ernest Iu, Ph.D. student aan de afdeling Cel- en Systeembiologie van de Faculteit der Kunsten en Wetenschappen aan de Universiteit van Toronto en co-auteur van de studie.

Plotnikov voegt toe:"Als je bijvoorbeeld een vloeistof zo dik als honing in een wond doet, zullen de cellen er dieper en sneller in gaan, waardoor de wond effectiever wordt genezen."

Plotnikov en Iu gebruikten geavanceerde microscopietechnieken om de tractie te meten die cellen uitoefenen om te bewegen, en veranderingen in structurele moleculen in de cellen. Ze vergeleken kanker- en fibroblastcellen, die gegolfde randen hebben, met cellen met gladde randen. Ze stelden vast dat gegolfde celranden de verdikte omgeving voelen, waardoor een reactie wordt geactiveerd waardoor de cel door de weerstand kan trekken - de ruches worden plat, spreiden zich uit en hechten zich vast aan het omringende oppervlak.

Het experiment is ontstaan ​​bij Johns Hopkins, waar Yun Chen, assistent-professor bij de afdeling Werktuigbouwkunde en hoofdauteur van de studie, en Matthew Pittman, Ph.D. student en eerste auteur, onderzochten eerst de beweging van kankercellen. Pittman creëerde een stroperige, slijmachtige polymeeroplossing, deponeerde deze op verschillende celtypes en zag dat kankercellen sneller bewogen dan niet-kankercellen wanneer ze door de dikke vloeistof migreerden. Om dit gedrag verder te onderzoeken, werkte Chen samen met U of T's Plotnikov, die gespecialiseerd is in het duwen en trekken van celbewegingen.

Plotnikov was verbaasd over de snelheidsverandering die in dikke, slijmachtige vloeistof ging. "Normaal gesproken kijken we naar langzame, subtiele veranderingen onder de microscoop, maar we konden de cellen in realtime twee keer zo snel zien bewegen en zich verspreiden om hun oorspronkelijke grootte te verdubbelen", zegt hij.

Doorgaans is celbeweging afhankelijk van myosine-eiwitten, die spieren helpen samentrekken. Plotnikov en Iu redeneerden dat het stoppen van myosine de verspreiding van cellen zou voorkomen, maar waren verrast toen het bewijs aantoonde dat de cellen ondanks deze actie nog steeds versnelden. In plaats daarvan ontdekten ze dat kolommen van het actine-eiwit in de cel, dat bijdraagt ​​​​aan spiercontractie, stabieler werden als reactie op de dikke vloeistof, waardoor de rand van de cel verder naar buiten werd geduwd.

De teams onderzoeken nu hoe ze de beweging van gegolfde cellen door verdikte omgevingen kunnen vertragen, wat de deur kan openen naar nieuwe behandelingen voor mensen die lijden aan kanker en cystische fibrose. + Verder verkennen

Cellen bewegen door de stijfheid van hun buren te beheersen