Als we een wond op onze huid krijgen, de cellen in ons lichaam mobiliseren snel om het te repareren. Hoewel bekend is hoe cellen wonden genezen en hoe littekens ontstaan, een team onder leiding van onderzoekers van de Washington University in St. Louis heeft voor het eerst vastgesteld hoe het proces begint, die nieuw inzicht kunnen geven in wondgenezing, fibrose en kankermetastasen.

Het team, geleid door Delaram Shakiba, een postdoctoraal onderzoeker van het NSF Science and Technology Center for Engineering Mechanobiology (CEMB) aan de McKelvey School of Engineering, ontdekte de manier waarop fibroblasten, of gewone cellen in bindweefsel, interactie met de extracellulaire matrix, die structurele ondersteuning biedt, evenals biochemische en biomechanische signalen aan cellen. Het team ontdekte een recursief proces dat plaatsvindt tussen de cellen en hun omgeving, evenals structuren in de cellen die voorheen onbekend waren.

De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in ACS Nano op 28 juli. Senior auteurs van het papier zijn Guy Genin, de Harold en Kathleen Faught hoogleraar Werktuigbouwkunde aan de McKelvey School of Engineering, en Elliot Elson, emeritus hoogleraar biochemie en moleculaire biofysica aan de School of Medicine.

"Klinische inspanningen om de progressie van fibrocontractiele ziekten te voorkomen, zoals littekens en fibrose, zijn grotendeels mislukt, gedeeltelijk omdat de mechanismen die cellen gebruiken om te interageren met de eiwitvezels om hen heen onduidelijk zijn, "Zei Shakiba. "We ontdekten dat fibroblasten totaal verschillende mechanismen gebruiken in de vroege - en ik denk dat de meest behandelbare - stadia van deze interacties, en dat hun reacties op drugs daarom het tegenovergestelde kunnen zijn van wat ze in de latere stadia zouden zijn."

gen, wie is de mededirecteur van de CEMB, zei dat het proces mechanobiologie-onderzoekers al enige tijd heeft belemmerd.

"Onderzoekers op het gebied van mechanobiologie dachten dat cellen collageen uit de extracellulaire matrix trokken door uit te reiken met lange uitsteeksels, grijpen en terugtrekken, "Zei Genin. "We ontdekten dat dit niet het geval was. Een cel moet zich eerst een weg naar buiten banen door collageen, dan in plaats van vast te grijpen, het schiet in wezen kleine haartjes, of filopodia, uit de zijkanten van zijn armen, trekt op die manier collageen aan, trekt zich dan terug."

Nu ze dit proces begrijpen, Genin zei, ze kunnen de vorm bepalen die een cel aanneemt.

"Met onze collega's bij CEMB aan de Universiteit van Pennsylvania, we waren in staat om enkele wiskundige modellen te valideren om het engineeringproces te doorlopen, en we hebben nu de basisregels die cellen volgen, " zei hij. "We kunnen nu beginnen met het ontwerpen van specifieke stimuli om een ​​cel te sturen om zich op een bepaalde manier te gedragen bij het bouwen van een weefsel-engineered structuur."

De onderzoekers ontdekten dat ze de celvorm op twee manieren konden controleren:door de grenzen eromheen te controleren, en ten tweede, door het remmen of opreguleren van bepaalde eiwitten die betrokken zijn bij de hermodellering van het collageen.

Fibroblasten trekken de randen van een wond naar elkaar toe, waardoor het samentrekt of sluit. Collageen in de cellen hermodelleert vervolgens de extracellulaire matrix om de wond volledig te sluiten. Hier komt mechanobiologie om de hoek kijken.

"Er is een balans tussen spanning en compressie in een cel die onlangs is blootgesteld aan vezelachtige eiwitten, " zei Genin. "Er zit spanning in actinekabels, en door met dat evenwicht te spelen, we kunnen deze uitsteeksels extreem lang laten groeien, " zei Genin. "We kunnen de verbouwing stoppen of we kunnen het vergroten."

Het team gebruikte een 3D-mappingtechniek - de eerste keer dat het op collageen werd toegepast - samen met een computermodel om de 3D-rek- en stressvelden te berekenen die door de uitsteeksels van de cellen werden gecreëerd. Terwijl cellen collageen ophopen, spanningsgestuurde hermodellering en uitlijning van collageenvezels leidde tot de vorming van collageenkanalen. Dit vereist coöperatieve interacties tussen cellen, waardoor cellen mechanisch kunnen interageren.

"Nieuwe methoden van microscopie, tissue engineering en biomechanische modellering vergroten aanzienlijk ons ​​begrip van de mechanismen waarmee cellen de weefsels die ze bevolken wijzigen en repareren, Elson zei. "Vezelachtige cellulaire structuren genereren en geleiden krachten die hun extracellulaire vezelige omgeving samendrukken en heroriënteren. Dit roept nieuwe vragen op over de moleculaire mechanismen van deze functies en hoe cellen de krachten reguleren die ze uitoefenen en hoe ze de mate van matrixvervorming regelen."

"Wondgenezing is een goed voorbeeld van hoe deze processen op fysiologische wijze belangrijk zijn, "Zei Genin. "We zullen inzicht kunnen krijgen in hoe cellen te trainen om het collageen om hen heen niet te compact te maken."