Zellen sind erfahrene Kooperationspartner und Kollaborateure. Um die Gewebegesundheit zu erhalten, sprechen Zellen miteinander, üben Druck aufeinander aus und stoßen Zellen aus, die nicht zum allgemeinen Wohlbefinden des Kollektivs beitragen. Wenn es an der Zeit ist, eine Zelle loszuwerden, initiiert die kollektive Gruppe einen Prozess namens Zellextrusion. Zellen können aus einer Reihe von Gründen extrudiert werden – sie könnten krebsartig oder alt sein oder sie könnten einfach andere Zellen überfüllen. Die Extrusion ist ein notwendiger Prozess für Gewebe, um Gesundheit und Integrität zu erhalten.
Biologen haben lange die biochemischen Hinweise und Signale untersucht, die der Zellextrusion zugrunde liegen, aber die beteiligten mechanischen, physikalischen Kräfte sind kaum bekannt.
Jetzt haben Forscher, inspiriert von der Mechanik einer Materiephase namens Flüssigkristalle, das erste dreidimensionale Modell einer Zellschicht und des Extrusionsverhaltens entwickelt, das sich aus ihren physikalischen Wechselwirkungen ergibt. Anhand dieses neuen Modells entdeckte das Team, dass je mehr eine Zelle von ihren Nachbarn auf eine bestimmte symmetrische Weise gequetscht wird, desto wahrscheinlicher ist es, dass sie aus der Gruppe extrudiert wird.
Das Modell und die Ergebnisse werden in einem in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel mit dem Titel „Mechanical Basis and Topological Routes to Cell Elimination“ beschrieben eLife. Die Arbeit war eine Zusammenarbeit zwischen den Laboratorien von Guruswami Ravichandran, John E. Goode, Jr., Professor für Luft- und Raumfahrt und Maschinenbau; José Andrade, George W. Housner-Professor für Bauingenieurwesen und Maschinenbau; und das Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen, Dänemark.
Ein Flüssigkristall ist eine Materiephase, die sich zwischen einem Feststoff und einer Flüssigkeit befindet. Wie ein Feststoff widersteht die Flüssigkristallsubstanz einer Verformung, aber wie bei einer herkömmlichen Flüssigkeit können die Moleküle, aus denen die Substanz besteht, herumfließen. Die Untersuchung von Flüssigkristallen gehört traditionell zur Physik der kondensierten Materie, aber in den letzten sechs Jahren wurde sie dazu verwendet, das Verhalten lebender Zellen zu beschreiben.
Modell, das veranschaulicht, wie Zellen Druck aufeinander ausüben, was zur Extrusion führt. Bildnachweis: S. Monfared
„Der aufregendste Teil dieser Studie ist, dass wir bei der Kombination dieser Felder gerade erst an der Oberfläche kratzen“, sagt Siavash Monfared, ein ehemaliger Postdoktorand am Caltech und Erstautor der Studie. „Was die Biologie sehr herausfordert, ist, dass lebende Systeme aktiv und aus dem Gleichgewicht geraten sind, während Physik und Mechanik oft auf thermodynamischem Gleichgewicht basieren. Die Untersuchung aktiver Materie ist vielversprechend, um Physik und physikalische Kräfte zum Verständnis biologischer Systeme zu nutzen.“
In dieser neuen Arbeit modellierte das Team eine einzelne Schicht von Zellen unter Einbeziehung von Prinzipien der Flüssigkristallphysik. Die Zellen werden als aktive und verformbare kugelförmige Tröpfchen modelliert, eng aneinander gepackt, so wie echte Zellen ein Gewebe bilden, und auf ein Substrat gesetzt. Die Forscher konnten dann einen Parameter namens Adhäsion optimieren, ein Maß dafür, wie stark die Zellen aneinander oder am Substrat haften, und beobachten, wie sich das Extrusionsverhalten auswirkt.
Obwohl die Moleküle in einem Flüssigkristall frei fließen können, sind sie dafür bekannt, bestimmte Arten von Symmetrie zu zeigen. Eine davon wird als hexatische Symmetrie bezeichnet, die eine sechsfache hexagonale Rotationssymmetrie ist. Das Modell zeigte, dass die kollektive Gruppe mit zunehmender Zelladhäsion wahrscheinlich alle Zellen extrudieren würde, die mit der hexatischen Symmetrie brachen.
„Verhaltensweisen wie Extrusion entstehen aus kollektiven Interaktionen – Zellen stoßen aufeinander, verformen sich, drehen sich und so weiter“, sagt Monfared, der jetzt Postdoktorand am Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen, Dänemark, ist. „Das ultimative Ziel ist es zu verstehen, wie mechanische Kräfte mit biochemischen Signalen interagieren. Die wechselseitige Kommunikation zwischen mechanischen und biochemischen Signalen ist ein aktives und intensives Forschungsgebiet.“
Mehr Informationen:
Siavash Monfared et al, Mechanische Grundlagen und topologische Wege zur Zelleliminierung, eLife (2023). DOI: 10.7554/eLife.82435