Forscher aus den Bereichen Biowissenschaften und Photonik an der Universität Tampere haben bei der Untersuchung der Reaktion oberflächlicher Zellen auf mechanische Reize eine bemerkenswerte Entdeckung gemacht. Durch die Simulation der Verformung der extrazellulären Matrix unterhalb der Zellen haben Forscher gezeigt, dass die Zellen selbst geringfügige Veränderungen in ihrer Umgebung schnell wahrnehmen und ihre Reaktion komplexer ist als erwartet. Die Entdeckung könnte dazu beitragen, beispielsweise die Prozesse im Zusammenhang mit der Bildung von Krebsmetastasen besser zu verstehen.
Drei Forschungsgruppen untersuchten in diesem Verbundprojekt, wie Epithelzellen über Ionenkanäle kleine Veränderungen in ihrer Umgebung wahrnehmen. Die Studie wurde mit lichtempfindlichen Materialien durchgeführt, die von der Forschungsgruppe „Smart Photonics Materials“ unter der Leitung von Professor Arri Priimägi entwickelt wurden und als Substrat für die Zellkultivierung verwendet werden können. Diese Materialien ermöglichen eine präzise und kontrollierbare Bewegung des Zellsubstrats durch Lichtstimulation.
„Die Zellen verfügten über ein Markerprotein für intrazelluläres Kalzium, sodass wir mit einem konfokalen Mikroskop kleine Rillen auf der Substratoberfläche zeichnen und gleichzeitig beobachten konnten, wie lebende Zellen mit Hilfe von Kalzium auf diese Veränderungen in der Umgebung reagieren.“ sagt Teemu Ihalainen, Senior Research Fellow am Tampere Institute for Advanced Study (IAS) und Leiter der Forschungsgruppe Zelluläre Biophysik an der Fakultät für Medizin und Gesundheitstechnologie.
„Wir fanden heraus, dass bereits die Bewegung von einigen zehn Nanometern Material mechanisch gesteuerte Kalziumkanäle in den Zellen öffnete, durch die die Zellen ihren Kalziumspiegel ändern konnten.“
Kalzium wird in Zellen für eine Vielzahl von Prozessen benötigt, sodass bereits kleine Änderungen der Kalziummenge große Auswirkungen auf die Zellfunktionen haben können. Die Studie zeigt vielleicht zum ersten Mal, dass Zellen in der Lage sind, kleinste Bewegungen in ihrer Umgebung zu spüren und diese Bewegungen durch eine Veränderung des Flusses von Kalziumionen durch die Zellmembran, also elektrisch über Ionenströme, erkannt werden.
Die Studie konzentrierte sich auf intrazelluläre Kalziumveränderungen während der ersten Sekunden des mechanischen Reizes. Ein Artikel mit dem Titel „Lichtinduzierte nanoskalige Verformung im Azobenzol-Dünnfilm löst einen schnellen intrazellulären Ca2+-Anstieg über mechanosensitive Kationenkanäle aus“, der ein wichtiger Teil der Dissertation von Doktorandin Heidi Peussa ist veröffentlicht im Tagebuch Fortgeschrittene Wissenschaft.
Calciumindikator exprimierende Epithelzellen wurden auf Dispersive Red 1 (DR1)-Glassubstrat gezüchtet. Die Verformung des Substrats und die topografische Änderung wurden durch die Erzeugung linienartiger Muster auf der Oberfläche mit 488-nm-Laserlicht induziert. Der Anstieg der Bildhelligkeit (vorher vs. nachher) deutet auf eine schnell ansteigende Kalziumkonzentration in den Zellen hin. Bildnachweis: Heidi Peussa, Universität Tampere
Mechanisch gesteuerter Ionenkanal als Schlüssel
Im Körper sind Epithelzellen fest mit der extrazellulären Matrix verbunden, sodass beispielsweise mechanische Belastungen der Umgebung auf die Zellen übertragen werden können. Mechanische Reize sind für die normale Funktion von Zellen wichtig. Eine Störung der Zellbindung führt oft zu Krankheiten oder anderen Problemen.
Zellen nehmen Veränderungen in ihrer Umgebung auf verschiedene Weise wahr, beispielsweise durch mechanisch gesteuerte PIEZO1-Ionenkanäle. Unter den Kanälen versteht man Zellmembranporen, die im mechanisch entspannten Zustand geschlossen sind, sich aber bei Dehnung der Zellmembran öffnen. Die Öffnung erfolgt in Tausendstelsekunden und führt zum Einstrom von Kalzium in die Zelle. Der Prozess spielt eine Schlüsselrolle bei vielen physiologischen Funktionen, beispielsweise bei der Berührungsempfindung. Die Entdeckung mechanisch gesteuerter Ionenkanäle wurde 2021 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.
Die Studie zeigte, dass PIEZO1-Kanäle für die Erkennung schneller Veränderungen in der Mikroumgebung der Zelle von entscheidender Bedeutung sind.
„Wir haben herausgefunden, dass Zellen in der Lage sind, Verformungen von nur 40 Nanometern (0,000040 mm) zu erfassen, die in Tausendstelsekunden auftreten. Zum ersten Mal konnten wir überwachen, wie sich der PIEZO1-Kanal als Ergebnis einer physikalischen Veränderung öffnet.“ die lokale, extrazelluläre Umgebung“, sagt Ihalainen.
Neue Möglichkeiten zur Untersuchung zellulärer Prozesse des Auges
Die von den Forschern verwendete Methode ist neu und ermöglicht es, insbesondere den mechanischen Reiz der extrazellulären Matrix zu untersuchen und gleichzeitig die Zellreaktionen zu überwachen. Weitere Forschungen zur Funktionsweise des PIEZO01-Kanals sind bereits im Gange. Darüber hinaus ist es das Ziel der Forscher, neue lichtresponsive Materialien zu untersuchen und zu entwickeln.
„Unsere nächsten Schritte bestehen darin, die Regulierung und die Regulierungsfaktoren dieser mechanisch gesteuerten Ionenkanäle zu untersuchen. Ziel ist es auch, ein umfassenderes Verständnis dafür zu gewinnen, was nach den ersten Sekunden bei der Wahrnehmung der Kraftempfindung passiert“, sagt Soile Nymark, außerordentlicher Professor für Biosensorik und Leiter der Forschungsgruppe „Biophysik des Auges“ an der Fakultät für Medizin und Gesundheitstechnologie.
„Wir entwickeln neue transgene Zelllinien, um die Kalziumsignalisierung an verschiedenen Stellen in der Zelle weiter zu untersuchen. Diese transgenen Zelllinien ermöglichen es uns auch, die Studien auf das darunter liegende retinale Pigmentepithel des Auges auszudehnen und die Rolle von PIEZO1-Kanälen bei der Netzhauterhaltung zu untersuchen.“ ,“
Mehr Informationen:
Heidi Peussa et al., Lichtinduzierte nanoskalige Verformung in Azobenzol-Dünnfilmen löst schnellen intrazellulären Ca2+-Anstieg über mechanosensitive Kationenkanäle aus, Fortgeschrittene Wissenschaft (2023). DOI: 10.1002/advs.202206190