Computersimulationen erklären Zellbewegung

Unter dem Mikroskop bewegt sich eine Gruppe von Zellen langsam in einer Linie vorwärts, wie ein Zug auf den Gleisen. Die Zellen navigieren durch komplexe Umgebungen. Ein neuer Ansatz von Forschern unter Beteiligung des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) zeigt nun, wie sie dies tun und wie sie miteinander interagieren. Die experimentellen Beobachtungen und das folgende mathematische Konzept sind veröffentlicht In Naturphysik.

Die meisten Zellen im menschlichen Körper können sich nicht bewegen. Einige bestimmte Zellen können sich jedoch an verschiedene Orte bewegen. Bei der Wundheilung bewegen sich Zellen beispielsweise durch den Körper, um beschädigtes Gewebe zu reparieren. Manchmal bewegen sie sich allein oder in Gruppen unterschiedlicher Größe.

Obwohl der Prozess immer besser verstanden wird, weiß man noch wenig darüber, wie Zellen auf ihrer Reise interagieren und wie sie gemeinsam durch die komplexen Umgebungen im Körper navigieren. Ein interdisziplinäres Team aus theoretischen Physikern am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) und Experimentalphysikern der Universität Mons in Belgien hat nun neue Erkenntnisse gewonnen.

Ähnlich wie bei Experimenten zur sozialen Dynamik, bei denen es einfacher ist, die Interaktionen einer kleinen Gruppe von Menschen zu verstehen als eine ganze Gesellschaft zu analysieren, untersuchten die Wissenschaftler das Reiseverhalten einer kleinen Gruppe von Zellen in wohldefinierten In-vitro-Umgebungen, also außerhalb eines lebenden Organismus, in einer Petrischale, die mit Innenmerkmalen ausgestattet ist. Basierend auf ihren Erkenntnissen entwickelten sie ein Gerüst von Interaktionsregeln.

Zellen reisen in Zügen

David Brückner eilt zurück in sein Büro, um seinen Laptop zu holen. „Ich glaube, es ist besser, ein paar Videos von unseren Experimenten zu zeigen“, sagt er und drückt auf Play.

Das Video zeigt eine Petrischale. Mikrostreifen – eindimensionale Bahnen, die die Zellbewegung leiten – sind neben einer Zebrafischschuppe, die aus zahlreichen Zellen besteht, auf das Substrat gedruckt. Spezielle Wundheilungszellen, sogenannte „Keratozyten“, beginnen sich von der Schuppe weg auszudehnen und bilden Verzweigungen in die Bahnen.

„Zuerst haften die Zellen durch Klebstoffmoleküle an ihrer Oberfläche zusammen – es ist, als würden sie Händchen halten“, erklärt Brückner. Plötzlich löst sich dieser Verbund, und die Zellen sammeln sich zu winzigen Gruppen, die sich wie Züge auf Schienen vorwärts bewegen.

„Die Länge des Zuges ist immer unterschiedlich. Mal sind es zwei, mal sind es zehn. Das hängt von den Ausgangsbedingungen ab.“

Eléonore Vercurysse und Sylvain Gabriele von der Universität Mons in Belgien beobachteten dieses Phänomen, als sie Keratozyten und ihre Wundheilungseigenschaften in verschiedenen geometrischen Mustern untersuchten. Um diese rätselhaften Beobachtungen besser interpretieren zu können, wandten sie sich an die theoretischen Physiker David Brückner und Edouard Hannezo am ISTA.

Zellen haben Lenkräder

„Innerhalb jeder Zelle gibt es einen Gradienten, der bestimmt, wohin sich die Zelle bewegt. Er wird ‚Polarität‘ genannt und ist wie das eigene Lenkrad der Zelle“, sagt Brückner. „Zellen kommunizieren ihre Polarität an benachbarte Zellen, sodass sie sich im Gleichschritt bewegen können.“ Aber wie sie das tun, ist in der Forschung noch immer ein großes Rätsel.

Brückner und Hannezo begannen mit einem Brainstorming. Die beiden Wissenschaftler entwickelten ein mathematisches Modell, das die Polarität einer Zelle, ihre Wechselwirkungen und die Geometrie ihrer Umgebung kombinierte. Anschließend übertrugen sie das Gerüst in Computersimulationen, mit denen sie verschiedene Szenarien visualisieren konnten.

Als erstes untersuchten die Wissenschaftler in Österreich die Geschwindigkeit der Zellzüge. Die Simulation ergab, dass die Geschwindigkeit der Züge unabhängig von ihrer Länge ist, egal ob sie aus zwei oder zehn Zellen bestehen.

„Stellen Sie sich vor, die erste Zelle würde die ganze Arbeit erledigen und die anderen hinter sich herziehen. Die Gesamtleistung würde abnehmen“, sagt Hannezo. „Aber das ist nicht der Fall. Innerhalb der Züge sind alle Zellen in die gleiche Richtung polarisiert. Sie sind ausgerichtet und synchron in ihrer Bewegung und bewegen sich reibungslos vorwärts.“ Mit anderen Worten: Die Züge funktionieren wie ein Allradantrieb und nicht wie ein bloßer Frontantrieb.

Im nächsten Schritt untersuchten die Theoretiker in ihren Simulationen, welche Auswirkungen es hat, wenn die Breite der Bahnen und der Zellhaufen zunimmt. Im Vergleich zu Zellen, die sich in einer Reihe bewegen, waren die Haufen viel langsamer. Die Erklärung ist ganz einfach: Je mehr Zellen zusammengeballt sind, desto häufiger stoßen sie aneinander. Diese Kollisionen führen dazu, dass sie sich voneinander weg polarisieren und sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Die Zellen sind nicht richtig ausgerichtet, was den Bewegungsfluss stört und die Gesamtgeschwindigkeit drastisch beeinflusst. Dieses Phänomen wurde auch im belgischen Labor beobachtet (In-vitro-Experimente).

Sackgasse? Kein Problem für Zellcluster

Aus Effizienzgründen scheint die Bewegung in Gruppen nicht ideal zu sein. Das Modell sagte jedoch voraus, dass sie auch Vorteile hat, wenn Zellen durch komplexes Gelände navigieren, wie dies beispielsweise im menschlichen Körper der Fall ist. Um dies zu testen, fügten die Wissenschaftler sowohl in den Experimenten als auch in den Simulationen eine Sackgasse hinzu.

„Zellzüge geraten schnell in eine Sackgasse, haben aber Schwierigkeiten, die Richtung zu ändern. Ihre Polarisierung ist genau ausgerichtet, und es ist sehr schwierig für sie, sich auf einen Richtungswechsel zu einigen“, sagt Brückner. „Im Cluster hingegen sind ziemlich viele Zellen bereits in die andere Richtung polarisiert, was den Richtungswechsel viel einfacher macht.“

Züge oder Cluster?

Natürlich stellt sich die Frage: Wann bewegen sich Zellen in Gruppen und wann in Gruppen? Die Antwort ist, dass beide Szenarien in der Natur zu beobachten sind. Einige Entwicklungsprozesse sind beispielsweise darauf angewiesen, dass sich Zellgruppen von einer Seite zur anderen bewegen, während andere auf kleinen Gruppen von Zellen beruhen, die sich unabhängig voneinander bewegen.

„Unser Modell ist nicht nur auf einen einzigen Prozess anwendbar. Vielmehr handelt es sich um einen breit anwendbaren Rahmen, der zeigt, dass es sehr lehrreich ist, Zellen in eine Umgebung mit geometrischen Einschränkungen zu platzieren, da es sie herausfordert und es uns ermöglicht, ihre Interaktionen untereinander zu entschlüsseln“, fügt Hannezo hinzu.

Ein kleiner Zug voller Informationen

Aktuelle Veröffentlichungen der Hannezo-Gruppe legen nahe, dass sich die Zellkommunikation in Wellen ausbreitet – ein Wechselspiel zwischen biochemischen Signalen, physikalischem Verhalten und Bewegung. Das neue Modell der Wissenschaftler liefert nun eine physikalische Grundlage für diese Zell-zu-Zell-Interaktionen und hilft möglicherweise dabei, das Gesamtbild zu verstehen.

Auf Grundlage dieses Rahmens können die Forscher tiefer in die molekularen Akteure dieses Prozesses eintauchen. Laut Brückner können die Verhaltensweisen dieser kleinen Zellzüge uns helfen, großräumige Bewegungen zu verstehen, wie sie in ganzen Geweben zu beobachten sind.

Um grundlegende Prozesse, etwa in den Neurowissenschaften, der Immunologie oder der Genetik, besser zu verstehen, ist der Einsatz von Tieren in der Forschung unabdingbar. Andere Methoden, wie etwa In-silico-Modelle, können hierfür keine Alternative darstellen. Die Tiere werden nach den strengen Vorschriften der jeweiligen Länder aufgezogen, gehalten und behandelt, in denen die Forschung durchgeführt wird.