Den Zusammenhang zwischen Zellbiomechanik und Wundheilung aufdecken

Ein interdisziplinäres Forscherteam des Indian Institute of Science (IISc) hat herausgefunden, wie die Steifheit der Mikroumgebung einer Zelle deren Form und Funktion beeinflusst. Das Team wurde von Namrata Gundiah, Professorin am Fachbereich Maschinenbau, und Paturu Kondaiah, Professor am Fachbereich Entwicklungsbiologie und Genetik, geleitet. Die Ergebnisse ermöglichen ein besseres Verständnis darüber, was mit dem Gewebe während der Wundheilung passiert.

Eine ineffiziente Wundheilung führt zu Gewebefibrose, einem Prozess, der zur Narbenbildung und sogar zu Erkrankungen wie einem Herzstillstand führen kann. Veränderungen der mechanischen Eigenschaften von Geweben – wie etwa der Steifheit – treten auch bei Krankheiten wie Krebs auf.

In der Studie, veröffentlicht In BiotechnikDas Team kultivierte Fibroblastenzellen – die Bausteine ​​des Bindegewebes unseres Körpers – auf einem Polymersubstrat namens PDMS mit unterschiedlicher Steifheit. Sie fanden heraus, dass eine Änderung der Steifheit die Zellstruktur und -funktion veränderte.

Fibroblastenzellen sind an der umfassenden Umgestaltung der extrazellulären Matrix (ECM) beteiligt, die biologische Zellen umgibt. Das ECM wiederum sorgt für die mechanische Spannung, die die Zellen im Körper spüren. Das Team stellte fest, dass Fibroblasten, die auf Substraten mit geringerer Steifheit kultiviert wurden, runder waren und begleitende Veränderungen in den Spiegeln von Zytoskelettproteinen wie Aktin und Tubulin zeigten. Darüber hinaus zeigten auf solchen Substraten gezüchtete Fibroblasten einen Stillstand des Zellzyklus, geringere Zellwachstumsraten und Zelltod.

Um den „Hauptregulator“ zu bestimmen, der Veränderungen in der Zelle antreibt, wenn sich die Substratsteifigkeit ändert, konzentrierte das Team seine Aufmerksamkeit auf ein wichtiges Signalprotein namens Transforming Growth Factor-β (TGF-β). Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass die Aktivität von Fibroblasten und der nachgeschalteten ECM-Architektur durch TGF-β reguliert wird.

„Die Sache ist die, die Leute reden über chemische Veränderungen … aber nicht über biomechanische“, sagt Brijesh Kumar Verma, ehemaliger Doktorand. Student am Institut für Entwicklungsbiologie und Genetik, IISc, und Erstautor der Studie. Während beispielsweise die TGF-β-Signalkaskade bei Krebs ausführlich untersucht wurde, wurde der Einfluss mechanischer Kräfte – wie etwa der Substratsteifigkeit – bisher nicht untersucht, fügt Verma hinzu.

Das ECM, das verschiedene Gewebe umgibt, weist unterschiedliche Steifheitsgrade auf – von weich um den Muskel bis hin zu sehr hart um den Knochen herum. Um diese Vielfalt nachzuahmen, stellte das Team PDMS-Substrate unterschiedlicher Steifigkeit her, auf denen Fibroblasten gezüchtet wurden. „Mit PDMS können Sie biokompatible Materialien mit einer Substratsteifigkeit über große Größenordnungen von 40 Kilopascal bis über 1,5 Megapascal herstellen“, erklärt Aritra Chatterjee, ehemalige Doktorandin. Student am Department of Bioengineering, IISc, und ein weiterer Autor.

Zunächst beobachteten die Forscher keine Veränderungen im Gesamt-TGF-β-Spiegel. „[Interestingly]„Als wir den aktivitätsbasierten Assay für TGF-β durchführten, waren wir ziemlich überrascht“, sagt Verma. Sie fanden heraus, dass mit zunehmender Substratsteifigkeit auch die TGF-β-Aktivität zunahm – mit anderen Worten, die Konzentrationen der aktiven Form von Das Protein begann zu steigen.

Verma fügt hinzu, dass dies erklären könnte, warum die Wundheilung in verschiedenen Geweben unterschiedlich schnell erfolgt. Dies bedeutet, dass Knochengewebe, das auf einer steiferen ECM wächst, bei Verletzungen weniger anfällig für Narbenbildung ist als Muskelgewebe, das sich in einer weicheren biomechanischen Umgebung befindet.

Das Team stellte außerdem fest, dass es zu einem Anstieg der Produktion mehrerer ECM-Komponenten kam, wenn die Substratsteifigkeit zunahm – Fibroblasten, die auf einem bereits steifen Substrat wachsen, begannen in einer positiven Rückkopplungsschleife auch, mehr ECM-Komponenten abzusondern. „Die neuartigste Erkenntnis war die Tatsache, dass die Signalisierung [between the fibroblast and ECM] reagierte tatsächlich empfindlich auf einen mechanischen Reiz, nämlich die Substratsteifigkeit“, erklärt Chatterjee.

Zukünftig wollen die Forscher verstehen, wie auch andere mechanische Faktoren wie Oberflächeneigenschaften und Zelldehnung die TGF-β-Aktivität beeinflussen können.

„Die Mikroumgebung der Zelle ist sehr kompliziert, da sie vielen verschiedenen Kräften ausgesetzt ist“, sagt Chatterjee. Das Verständnis ihrer Einflüsse und die Verfolgung der biophysikalischen Parameter der Zelle können auch ein nützliches Instrument zur Unterscheidung zwischen gesunden und Krebszellen sein.

Eine Tumormasse könne effizienter bekämpft werden, wenn wir verstehen, wie sich die Steifheit erkrankter Zellen verändert, erklärt Verma. „Da bin ich sehr optimistisch.“