Forscher modellieren das „Coiling“ genannte Zellverhalten, um die Krebsdynamik zu verstehen

In jedem Kampf ist es für die Verteidigung entscheidend, den Gegner zu kennen. Der Kampf gegen Krebs oder die Beschleunigung der Wundheilung bildet da keine Ausnahme. Die Forschungsteams der Virginia Tech und des Weizmann Institute of Israel verfolgen zusammen mit Partnern weltweit ein tieferes Verständnis davon, wie sich Zellen in einem lebenden Körper bewegen und ausbreiten.

Professor Amrinder Nain von der Virginia Tech baut nanoskalige Hängebrücken, um die Zellmigration zu untersuchen. Professor Nir Gov vom Weizmann-Institut entwickelt den theoretischen und rechnerischen Rahmen dafür, wie Zellen auf gekrümmten Oberflächen wandern. Ihre gemeinsame Studie, die modernste Experimente und Theorie kombiniert, um das „Windeln“ von Zellen auf Fasern zu untersuchen, wurde in veröffentlicht Naturkommunikation.

Diese Studie folgt bisherige Forschung Zusammenarbeit mit Gouverneur und Nain zur Erforschung der inneren Mechanismen von Krebs. In dieser Arbeit untersuchten Nain und seine Partner von der Virginia Tech, Japan und Israel, wie sich die Biologie einer Zelle auf die Bewegung von Hirnkrebszellen auswirkt.

Diese Arbeit brachte mehrere neuartige Entdeckungen hervor, aber Chemie und Biologie allein lieferten kein vollständiges Bild. Da das Team eine ganzheitlichere Sicht auf das Zellverhalten benötigte, um zu verstehen, wie man Krebs im Keim ersticken kann, verlagerte es sich von der Untersuchung des Inneren der Zelle auf die Außenseite und beobachtete, wie diese mit ihrer Umgebung interagiert.

Erweiterung des Teams für eine neue Studie

Nain und sein Kollege Bahareh Behkam von der Virginia Tech hatten zuvor ein Zellverhalten namens Coiling identifiziert, bei dem sich eine Zelle zur Wanderung um eine Faserachse wickelt. Sie fanden heraus, dass die Windung bei invasiven Krebszellen stärker ausgeprägt war als bei ihren nicht-tumorigenen Gegenstücken. Da sie dies wussten, machten sie sich daran, die zugrunde liegenden energetischen Prinzipien zu verstehen, die diesem sich windenden Verhalten zugrunde liegen.

Da das Team wiederum auf die Expertise des Gouverneurs angewiesen war, startete es eine neue gemeinsame Studie mit dem Team aus Israel, die darauf abzielte, herauszufinden, wie sich eine Zelle mithilfe ihrer Vorsprünge oder armähnlichen Strukturen bewegt, die sich von der Vorderseite des weichen Körpers einer Zelle nach außen erstrecken.

Nain und seine Mitarbeiter wussten, dass diese Arme es der Zelle nicht nur ermöglichen, sich zu bewegen, sondern auch ihre Umgebung zu erfassen und sich vorwärts zu ziehen. Die Kunst bestand darin, sie in 3D mit ausreichender Auflösung zu betrachten. Christian Hernandez-Padilla, Mitglied des Virginia Tech-Teams, entwickelte Glasfasernetzwerke und Bildgebungsstrategien zur Erfassung von Coiling-Ereignissen. Anschließend kontaktierte Nain Hari Shroff und Harshad Vishwasrao von den National Institutes of Health (NIH), um nach der Verwendung ihres fortschrittlichen Gitterlichtblattmikroskops zu fragen.

„Wir haben uns der Herausforderung gestellt, herauszufinden, ob die Windung für detaillierte Messungen deutlich in 3D beobachtet werden kann“, sagte Nain. „Alles, was nötig war, war eine kalte E-Mail an Hari vom NIH, auf die er äußerst empfänglich reagierte. Wir waren jubelnd, als Christians Bilddaten eintrafen und zeigten, dass sich Zellen auf Fasern in 3D winden.“

Zusätzlich zum NIH wandte sich das Team auch an Professor Konstantinos Konstantopoulos von der Johns Hopkins University, um spezifische Zelllinien zu generieren, die in der Studie verwendet werden; Professor Aleš Iglič an der Universität Ljubljana, Slowenien, für Computermodellierung; und Professor Elior Peles vom Weizmann Institute of Science für die Demonstration des Coiling in vivo.

Um die Zellmigration zu verstehen, muss man wissen, wie sich Zellen um faserige Seile winden – die Hängebrücken, auf denen sie sich schließlich bewegen. Zu Nains Fachwissen gehört der Bau nanoskaliger, zellulärer, faseriger Fahrbahnen. Verglichen mit der flachen Landschaft einer Petrischale ähneln diese Fasern der Landschaft lebenden Gewebes viel näher. Durch die Zusammenarbeit mit anderen Experten bereitete das Team die Voraussetzungen dafür, zu veranschaulichen, wie sich Zellen innerhalb eines Körpers bewegen, was zu neuen Strategien führen könnte, um Krebszellen zu stoppen oder die Wundheilung zu beschleunigen.

Ein verdrehter Griff: Arbeit aus Blacksburg

Um sich fortzubewegen, produziert der geleeartige Körper einer Zelle zunächst die tentakelartigen Vorsprünge. Diese Zellarme können sich an Dingen festhalten, indem sie sich um Fasern in den sie umgebenden Geweben drehen. Dieses Verhalten wurde jedoch bisher kaum untersucht.

„Jüngste bildgebende Untersuchungen im Inneren des Körpers haben gezeigt, dass sich Krebszellen entlang einzelner Fasern bewegen und durch unterschiedliche Faserarchitekturen navigieren, indem sie die Fasern ausstrecken und ergreifen“, sagte Nain. „Wir haben unsere Experimente mit den Computermodellen von Nir kombiniert, um die Energie des Aufwickelns zu verstehen. Dies war noch nie zuvor versucht worden und stellte unsere Gruppen vor eine Herausforderung.“

Die Gruppe untersuchte das Aufwickeln an aufgehängten Fasern mit verschiedenen Durchmessern, einschließlich flacher Bänder, die im Behkam-Labor entwickelt wurden. Forscher fanden heraus, dass sich eine Zelle, wenn sie sich auf einer Faser niederließ, mit ihrem Tentakel einige Male um die Faser wickelte und so der Zelle einen festen Halt gab. Hernandez-Padilla führte am NIH Bildgebung durch und entwickelte das Framework zur Quantifizierung von 3D-Coiling-Ereignissen aus den aufgezeichneten umfangreichen Daten.

Das Wickeln: Arbeit aus Israel

In Israel entwickelte der Postdoktorand Rajkumar Sadhu ein theoretisches Modell, das beschreibt, wie eine Zelle ihre Form annehmen und sich bewegen kann, wenn äußere Kräfte auf ihre Membran einwirken. Das Regierungsteam stellte fest, dass die Minimierung des Energieverbrauchs ein wesentlicher Treiber war. Stellen Sie sich eine Membran vor, die versucht, so flach wie möglich zu bleiben und scharfe Ecken zu vermeiden, deren Navigation mehr Energie erfordern würde.

Komplizierte Formen wie die Windung resultieren aus Proteinkomplexen, die ihrerseits gekrümmt sind und die Membran biegen, während sie ihrer Form folgt. Gekrümmte Proteine ​​verbinden sich auch mit dem Zytoskelett, dem Strukturbestandteil, der der Zelle ihre Form verleiht. Das Zytoskelett wächst und drängt sich während der Zellbewegung nach außen, wodurch die Vorsprünge angetrieben werden.

Diese Kräfte, die aus der Energieeinsparung und der Dynamik des Zytoskeletts resultieren, sind für das Aufrollen verantwortlich. Das Modell hat richtig vorhergesagt, dass das Aufwickeln aufhören würde, wenn die Faser scharfe Ecken hätte, wie im Fall der flachen Bänder.

Kollaboratives Arbeiten ist der Schlüssel in der Biologie

Obwohl dieser Energieausgleich zwischen Bewegung und Zellbiologie auf sehr kleine Weise geschieht, hat er enorme Auswirkungen auf die Zukunft. Das Verständnis, wie sich Zellen in ihrer Umgebung verhalten, öffnet die Tür zum Verständnis der Zellmigration während der Entwicklungs-, Krankheits- und Reparaturbiologie.

Zusätzlich zu den wissenschaftlichen Fortschritten dieses Projekts äußerte sich der Gouverneur zum Wert dieser Arbeit für das Kooperationsunternehmen.

„Diese Zusammenarbeit hat bereits mehrere Veröffentlichungen hervorgebracht und zeigt, wie Wissenschaft heute durch die Zusammenarbeit zwischen Menschen aus verschiedenen Ländern, Kontinenten und ethnischen und nationalen Hintergründen betrieben wird“, sagte er. „Abgesehen von der Neugier und der Liebe zur Wissenschaft sind es die liberalen Ideale der Freiheit, der Menschenrechte sowie des gegenseitigen Respekts und der Solidarität zwischen allen Menschen, die uns verbinden.“