Ein Einblick in den Tastsinn von Zellen, während sie während der Embryogenese Gewebe aufbauen

Der Aufbau von Geweben und Organen ist eine der komplexesten und wichtigsten Aufgaben, die Zellen während der Embryogenese erfüllen müssen. Bei dieser kollektiven Aufgabe kommunizieren Zellen über eine Vielzahl von Kommunikationsmethoden, einschließlich biochemischer Signale – ähnlich dem Geruchssinn einer Zelle – und mechanischer Signale – dem Tastsinn der Zelle.

Seit Jahrzehnten fasziniert die Zellkommunikation Forscher verschiedenster Disziplinen. Professor Otger Campàs ist es nun gemeinsam mit seinen Kollegen vom Exzellenzcluster „Physics of Life“ (PoL) der Technischen Universität Dresden und von der University of California Santa Barbara (UCSB) gelungen, ein weiteres Rätsel um die Frage zu lüften, wie Zellen ihren Sinn nutzen der Berührung, um wichtige Entscheidungen während der Embryogenese zu treffen. Ihre Arbeit wurde jetzt in der Zeitschrift veröffentlicht Naturmaterialien.

Umgebung testen

In ihrer Arbeit berichten die Forscher, wie Zellen innerhalb eines lebenden Embryos ihre Umgebung mechanisch testen und welche mechanischen Parameter und Strukturen sie wahrnehmen. „Wir wissen viel darüber, wie Zellen mechanische Hinweise in einer Schale wahrnehmen und darauf reagieren. Allerdings ist ihre Mikroumgebung innerhalb eines Embryos ganz anders und wir wussten nicht, welche mechanischen Hinweise sie in einem lebenden Gewebe wahrnehmen“, sagt Campàs, Lehrstuhl für Gewebe Geschäftsführer von Dynamics und PoL.

Die mechanische Heilung hilft den Zellen, wichtige Entscheidungen zu treffen, z. B. ob sie sich teilen, bewegen oder sogar differenzieren sollen, der Differenzierungsprozess, durch den sich Stammzellen in spezialisiertere Zellen verwandeln, die in der Lage sind, bestimmte Funktionen auszuführen.

Frühere Forschungen haben gezeigt, dass Stammzellen, die auf einem synthetischen Substrat platziert werden, sich stark auf mechanische Hinweise verlassen, um Entscheidungen zu treffen: Zellen auf Oberflächen mit einer Steifigkeit ähnlich wie Knochen wurden zu Osteoblasten (Knochenzellen), während Zellen auf Oberflächen mit einer Steifigkeit ähnlich wie Gehirngewebe zu Neuronen wurden. Die Ergebnisse brachten das Gebiet der Gewebezüchtung erheblich voran, da die Forscher diese mechanischen Hinweise verwendeten, um synthetische Gerüste zu schaffen, um Stammzellen dazu zu bringen, sich zu den gewünschten Ergebnissen zu entwickeln. Diese Gerüste werden heute in einer Vielzahl von biomedizinischen Anwendungen verwendet.

Vom Gericht zum lebenden Embryo

Ein Gericht ist jedoch nicht der natürliche Lebensraum der Zelle. Beim Aufbau eines Organismus kommen Zellen nicht mit synthetischen Gerüsten in einer flachen Schale in Kontakt, sondern mit komplexen lebenden Materialien in drei Dimensionen.

In den letzten zehn Jahren entdeckte die Forschungsgruppe von Prof. Campàs die mechanischen Hinweise, die Zellen in den komplexen Geweben eines Embryos leiten. Mit einer einzigartigen Technik, die in seinem Labor entwickelt wurde, konnten die Forscher das lebende Gewebe ähnlich wie Zellen untersuchen und herausfinden, welche mechanischen Strukturen die Zellen wahrnehmen.

„Wir haben zuerst untersucht, wie Zellen ihre Mikroumgebung mechanisch testen, während sie sich differenzieren und die Körperachse eines Wirbeltiers aufbauen, während sie sich differenzieren“, sagt Campàs. „Zellen verwendeten unterschiedliche Vorsprünge, um ihre Umgebung zu drücken und zu ziehen. Also haben wir quantifiziert, wie schnell und stark sie drückten.“

Indem sie ein ferromagnetisches Öltröpfchen verwendeten, das sie zwischen sich entwickelnde Zellen einführten und es einem kontrollierten Magnetfeld aussetzten, konnten sie diese winzigen Kräfte nachahmen und die mechanische Reaktion der Zellumgebung messen.

Die Wahrnehmung der Gewebearchitektur und der Zellen verändern das Schicksal

Entscheidend für die Aktionen dieser embryonalen Zellen ist ihr kollektiver physikalischer Zustand, den Campàs und seine Forschungsgruppe in einem früheren Artikel als den eines aktiven Schaums beschrieben haben, der in seiner Konsistenz Seifenlauge oder Bierschaum ähnelt, wobei die Zellen durch Zelladhäsion verklumpt sind aneinander ziehen.

Was die Zellen mechanisch untersuchen, fanden Campàs und sein Team heraus, ist der kollektive Zustand dieses „lebenden Schaums“ – wie steif er ist und wie begrenzt die Ansammlung ist. „Und genau in dem Moment, in dem sich Zellen differenzieren und beschließen, ihr Schicksal zu ändern, verändern sich die materiellen Eigenschaften des Gewebes, die sie wahrnehmen.“ In dem Moment, in dem die Zellen innerhalb des Gewebes über ihr Schicksal entscheiden, verfällt das Gewebe seiner Meinung nach in Steifheit.

Vorwärts gehen

Was in dieser Studie noch nicht bewiesen ist, ist die komplexe Frage, ob – und wenn ja, wie – die Änderung der Steifigkeit in der embryonalen Umgebung die Änderung des Zellzustands antreibt.

„Es gibt ein Zusammenspiel zwischen den mechanischen Eigenschaften der Strukturen, die Zellen kollektiv aufbauen, wie Gewebe oder Organe, und den Entscheidungen, die sie individuell treffen, da diese von den mechanischen Hinweisen abhängen, die die Zellen im Gewebe wahrnehmen. Dieses Zusammenspiel ist der Kern wie die Natur Organismen aufbaut“, sagt Campàs.

Die Ergebnisse dieser Studie könnten auch wichtige Auswirkungen auf das Tissue Engineering haben. Potenzielle Materialien, die im Gegensatz zu den weit verbreiteten synthetischen Polymer- oder Gelgerüsten die schaumähnlichen Eigenschaften des embryonalen Gewebes nachahmen, könnten es Forschern ermöglichen, im Labor robustere und anspruchsvollere synthetische Gewebe, Organe und Implantate mit den entsprechenden Geometrien herzustellen und mechanische Eigenschaften für die gewünschten Funktionen.