Krebszellen wandern aus mehreren Gründen durch den Körper; Einige folgen einfach dem Fluss einer Flüssigkeit, während andere aktiv bestimmten chemischen Spuren folgen. Wie also bestimmen Sie, welche Zellen sich bewegen und warum? Forscher der Purdue University haben ein zelluläres Signalverarbeitungssystem rückentwickelt und wie ein Logikgatter – einen einfachen Computer – verwendet, um besser zu verstehen, was die Migration bestimmter Zellen verursacht.
Seit vielen Jahren untersuchen Maschinenbauprofessor Bumsoo Han und seine Forschungsgruppe Krebszellen. Er baut mikrofluidische Strukturen, um ihre biologische Umgebung zu simulieren; Er hat diese Strukturen sogar verwendet, um ein „Zeitmaschine„um das Wachstum von Bauchspeicheldrüsenkrebszellen umzukehren.
„In unseren Experimenten haben wir beobachtet und untersucht, wie diese Krebszellen wandern, weil dies ein wichtiger Aspekt der Krebsmetastasierung ist“, sagte Hye-ran Moon, Postdoktorandin in Hans Team. „Aber das ist anders. Wir versuchen, die grundlegenden Mechanismen hinter diesen Verhaltensweisen anzugehen. Und es ist sehr herausfordernd, weil Zellen sehr komplexe Systeme von Molekülen sind und sie mehreren Hinweisen ausgesetzt sind, die sie dazu bringen, sich zu bewegen.“
Einer dieser Hinweise sind chemische Spuren, von denen viele Zellen von Natur aus angezogen werden (ähnlich wie Ameisen, die einer Duftspur folgen). Ein weiterer ist der Flüssigkeitsfluss; Wenn Flüssigkeiten in einer bestimmten Richtung um Zellen fließen, werden viele Zellen einfach mitfahren. Wenn sich also eine Zelle bewegt, wie können Sie feststellen, ob sie durch Chemikalien, Flüssigkeitsbewegungen oder beides motiviert ist?
Das Team verwendete ein ternäres Logikgattermodell, um diese Hinweise zu analysieren und vorherzusagen, wie sich Zellen unter verschiedenen Umgebungen bewegen würden. Ihre Forschung wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Labor auf einem Chip.
Ihre Experimente fanden in einer mikrofluidischen Plattform mit einer Mittelkammer für die Zellen und zwei seitlichen Plattformen statt. Mit diesem Gerät konnten sie Fluidströmungen in eine Richtung, in die entgegengesetzte Richtung oder überhaupt keine Strömung replizieren. Sie könnten auch eine Chemikalie einführen, von der bekannt ist, dass sie die Migration der Zellen verursacht. Auch hier hatten sie die Möglichkeit einer Chemotaxis in eine Richtung, in die entgegengesetzte Richtung oder gar keine. Würden sich diese beiden Hinweise multiplizieren oder gegenseitig aufheben?
„Mit jeweils zwei Hinweisen und drei Auswahlmöglichkeiten hatten wir genug beobachtbare Daten, um ein ternäres Logikgattermodell zu erstellen“, sagte Moon.
Logikgatter sind ein Konstrukt aus der Computertechnik, bei dem Transistoren einen 1- oder 0-Eingang annehmen und einen 1- oder 0-Ausgang zurückgeben. Binäre Logikgatter nehmen eine Kombination aus zwei Einsen und Nullen und geben unterschiedliche Ergebnisse aus, je nachdem, um welche Art von Gatter es sich handelt. Ternäre Logikgatter machen dasselbe, außer mit drei möglichen Ein- und Ausgängen: 1, 0 und -1.
Moon ordnete Werte zu, in welche Richtung sich die Zellen unter den beiden unterschiedlichen Stimuli bewegten. „Wenn sich die Zellen in Strömungsrichtung bewegt haben, ist das 1“, sagte Moon. „Wenn sie keine Richtung haben, ist das 0. Wenn sie sich in die entgegengesetzte Richtung zum Fluss bewegen, ist das -1.“
Wenn Zellen entweder einzeln auf Chemikalien oder einen Flüssigkeitsstrom trafen, bewegten sie sich in die positive Richtung (die „1“). Wenn beide in der gleichen Richtung vorhanden waren, war der Effekt additiv (immer noch „1“). Wenn die beiden jedoch in entgegengesetzte Richtungen flossen, bewegten sich die Zellen eher in Richtung der Chemikalien (der „-1“) als in Richtung des Flüssigkeitsflusses.
Basierend auf diesen Beobachtungen extrapolierte Moon ein 3×3-Gitter, um die Ergebnisse zu vereinfachen. Die Hinweise dieser Krebszellen könnten jetzt ähnlich wie ein Elektroingenieur einen Stromkreis grafisch darstellen.
Natürlich ist die reale Welt nie so einfach. „Tatsächlich ist der chemische Stimulus ein Gradient, kein Ein-Aus-Schalter“, sagte Moon. „Die Zellen bewegen sich erst, wenn ein bestimmter Schwellenwert des Flusses eingeführt wurde; und wenn Sie zu viel einführen, schließt die Zelle kurz und bewegt sich überhaupt nicht. Die Genauigkeit, mit der wir diese Bewegung vorhersagen können, ist nicht linear Verhältnis.“
Moon betonte auch, dass dieses spezielle Experiment sehr einfach ist: zwei Stimuli in strikt entgegengesetzten Richtungen in einer einzigen Dimension. Der nächste Schritt wäre, ein ähnliches Experiment zu bauen, aber in einer zweidimensionalen Ebene; und dann noch eins in einem dreidimensionalen Volumen. Und das ist nur der Anfang; Sobald Sie mehrere Stimuli hinzufügen und die Zeit als vierte Dimension berücksichtigen, werden die Berechnungen unglaublich komplex. „Jetzt verstehen Sie, warum Biologen Supercomputer verwenden müssen“, sagte Moon.
Diese Studie wurde in Zusammenarbeit mit dem Purdue Institute for Cancer Research durchgeführt; die Weldon School of Biomedical Engineering; die Purdue-Abteilung für Physik und Astronomie; und Andrew Mugler und Soutick Saha von der Fakultät für Physik und Astronomie der Universität Pittsburgh.
„Dies ist ein perfektes Beispiel dafür, wie mikrofluidische Geräte in der Krebsforschung eingesetzt werden können“, sagte Moon. „Dieses Experiment in einer biologischen Umgebung durchzuführen, wäre extrem schwierig. Aber mit diesen Geräten können wir bis hinunter zu einzelnen Zellen gehen und ihr Verhalten in einer kontrollierten Umgebung untersuchen.“
„Dieses Modell kann auf weit mehr als nur physische Krebszellen angewendet werden“, fuhr Moon fort. „Jede Zelle kann von verschiedenen Hinweisen beeinflusst werden, und dies bietet Forschern einen Rahmen, um diese Einflüsse zu untersuchen und festzustellen, warum sie auftreten. Gentechniker haben sich auch das Logik-Gate-Modell zu eigen gemacht und Gene als Prozessoren behandelt, die unterschiedliche Ergebnisse liefern, wenn Sie ihnen Gewissheit geben Anweisungen. Es gibt viele Bereiche, in denen wir mit diesem Konzept arbeiten können.“
Mehr Informationen:
Hye-ran Moon et al., Zellen fungieren als ternäres Logikgatter, um die Migrationsrichtung unter integrierten chemischen und fluidischen Hinweisen zu bestimmen, Labor auf einem Chip (2022). DOI: 10.1039/D2LC00807F