Untersuchen, wie Zellen miteinander kommunizieren

Zellen kommunizieren wie wir. Nun ja, auf ihre ganz besondere Art. Mithilfe von Wellen als gemeinsamer Sprache teilen sich Zellen gegenseitig mit, wohin und wann sie sich bewegen sollen. Sie reden, sie tauschen Informationen aus und sie arbeiten zusammen – ganz so wie das interdisziplinäre Forscherteam des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) und der National University of Singapore (NUS). Sie untersuchten, wie Zellen kommunizieren – und welche Bedeutung dies für zukünftige Projekte hat, beispielsweise für die Anwendung bei der Wundheilung.

Was kommt Ihnen in den Sinn, wenn Sie an Biologie denken? Tiere, Pflanzen, theoretische Computermodelle? Letzteres wird Ihnen vielleicht nicht sofort in den Sinn kommen, obwohl es einen wichtigen Teil der biologischen Forschung ausmacht. Gerade diese Berechnungen helfen, komplexe biologische Phänomene bis ins verborgenste Detail zu verstehen. ISTA-Professor Edouard Hannezo wendet sie an, um physikalische Prinzipien in biologischen Systemen zu verstehen. Die neueste Arbeit seiner Gruppe liefert neue Einblicke in die Art und Weise, wie sich Zellen in lebendem Gewebe bewegen und kommunizieren.

Während seiner Doktorarbeit entwickelte Daniel Boocock zusammen mit Hannezo und seinem langjährigen Mitarbeiter Tsuyoshi Hirashima von der National University of Singapore ein detailliertes neues theoretisches Modell, das heute in der Zeitschrift veröffentlicht wird PRX-Leben. Es ermöglicht ein besseres Verständnis der Zell-Zell-Kommunikation über große Entfernungen und beschreibt sowohl die komplexen mechanischen Kräfte, die die Zellen aufeinander ausüben, als auch ihre biochemische Aktivität.

Zellen kommunizieren in Wellen

„Nehmen wir an, Sie haben eine Petrischale, die mit Zellen bedeckt ist – einer Monoschicht. Sie scheinen einfach da zu sitzen. Aber die Wahrheit ist, dass sie sich bewegen, herumwirbeln und spontan chaotische Verhaltensweisen zeigen“, erklärt Hannezo.

Ähnlich wie bei einer dichten Menschenmenge bei einem Konzert: Wenn eine Zelle an einer Seite zieht, nimmt eine andere Zelle die Aktion wahr und kann reagieren, indem sie entweder in die gleiche Richtung geht oder in die entgegengesetzte Richtung zieht. Informationen können sich dann in Wellen ausbreiten und verbreiten – Wellen, die unter einem Mikroskop sichtbar sind.

„Zellen nehmen nicht nur mechanische Kräfte wahr, sondern auch ihre chemische Umgebung – Kräfte und biochemische Signale, die Zellen aufeinander ausüben“, fährt Hannezo fort. „Ihre Kommunikation ist ein Zusammenspiel von biochemischer Aktivität, physikalischem Verhalten und Bewegung; das Ausmaß jedes Kommunikationsmodus und wie solche mechanochemischen Wechselspiele in lebenden Geweben funktionieren, war jedoch bisher unklar.“

Bewegungsmuster vorhersagen

Angetrieben durch die Wellenvisualisierungen bestand das Ziel der Wissenschaftler darin, ein theoretisches Nachfolgemodell zu etablieren, das ihre bisherige Theorie darüber, wie sich Zellen von einer Region zur nächsten bewegen, validieren würde. Daniel Boocock erklärt: „In unserer früheren Arbeit wollten wir den biophysikalischen Ursprung der Wellen aufdecken und herausfinden, ob sie eine Rolle bei der Organisation der kollektiven Zellmigration spielen. Wir hatten jedoch nicht den Flüssig-Fest-Übergang des Gewebes, das dem System innewohnende Rauschen oder die detaillierte Struktur der Wellen in 2D berücksichtigt.“

Ihr neuestes Computermodell achtet auf die Zellmotilität und die Materialeigenschaften des Gewebes. Damit fanden Boocock und Hannezo heraus, wie Zellen mechanisch und chemisch kommunizieren und wie sie sich bewegen. Sie konnten die in Petrischalen beobachteten Phänomene nachbilden und so eine theoretische Erklärung der Zellkommunikation basierend auf physikalischen Gesetzen bestätigen.

Die Theorie testen

Für den experimentellen Beweis arbeiteten Boocock und Hannezo mit dem Biophysiker Tsuyoshi Hirashima zusammen. Um gründlich zu testen, ob das neue Modell auf reale biologische Systeme anwendbar ist, verwendeten Wissenschaftler 2D-Monoschichten von MDCK-Zellen – spezifischen Säugetiernierenzellen –, die ein klassisches In-vitro-Modell für solche Forschungen darstellen.

„Wenn wir einen chemischen Signalweg hemmten, der es den Zellen ermöglicht, Kräfte zu spüren und zu erzeugen, hörten die Zellen auf, sich zu bewegen und es breiteten sich keine Kommunikationswellen aus“, erklärt Hannezo. „Mit unserer Theorie können wir verschiedene Komponenten des komplexen Systems leicht verändern und bestimmen, wie sich die Dynamik des Gewebes anpasst.“

Was kommt als nächstes?

Zellgewebe ähnelt in mancher Hinsicht Flüssigkristallen: Es fließt wie eine Flüssigkeit, ist aber wie ein Kristall angeordnet. Boocock fügt hinzu: „Insbesondere das flüssigkristallähnliche Verhalten von biologischem Gewebe wurde bisher nur unabhängig von mechanochemischen Wellen untersucht.“ Eine Ausweitung auf 3D-Gewebe oder Monoschichten mit komplexen Formen, genau wie bei lebenden Organismen, ist ein möglicher zukünftiger Forschungsweg.

Auch im Hinblick auf die Wundheilung haben die Forscher damit begonnen, das Modell zu optimieren. Wo Parameter den Informationsfluss verbessern, wurde die Heilung beschleunigt – in Computersimulationen. Hannezo fügt begeistert hinzu: „Was wirklich interessant ist, ist, wie gut unser Modell für die Wundheilung in Zellen lebender Organismen funktionieren würde.“