Forscher enträtseln, wie Zellen ihren Tastsinn nutzen, um während der Embryogenese Entscheidungen zu treffen

Ein Forscherteam des Exzellenzclusters „Physics of Life“ der TU Dresden und der University of California, Santa Barbara, enthüllt, wie Zellen ihre mechanische Umgebung wahrnehmen, 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 – des Tastsinns der Zelle. Zellkommunikation fasziniert Forscher verschiedener Disziplinen seit Jahrzehnten. Professor Otger Campàs ist es nun gelungen, zusammen mit seinen Kollegen vom Exzellenzcluster „Physics of Life“ (PoL) der Technischen Universität Dresden und von der University of California Santa Barbara (UCSB) ein weiteres Rätsel zu lüften, wie Zellen ihre Sinne nutzen Organe berühren, um wichtige Entscheidungen während der Embryogenese zu treffen. Ihre Arbeit wurde jetzt in der Zeitschrift veröffentlicht Natürliche Materialien.

Test Umgebung

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

Die mechanischen Heilmittel helfen den Zellen, wichtige Entscheidungen zu treffen, z. B. ob sie sich teilen, bewegen oder sogar differenzieren sollen, der Differenzierungsprozess, durch den Stammzellen in spezialisiertere Zellen umgewandelt werden, die bestimmte Funktionen ausführen können. Frühere Arbeiten zeigten, dass Stammzellen, die auf einem synthetischen Substrat platziert werden, stark auf mechanische Signale angewiesen sind, um Entscheidungen zu treffen: Zellen auf Oberflächen mit einer knochenähnlichen Steifheit wurden zu Osteoblasten (Knochenzellen), während Zellen auf Oberflächen mit einer hirngewebeähnlichen Steifheit zu Neuronen wurden . Die Ergebnisse brachten das Gebiet der Gewebezüchtung erheblich voran, da die Forscher diese mechanischen Signale nutzten, 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.

Von der Schale 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 Hülle in Kontakt, sondern mit komplexen lebenden Materialien in drei Dimensionen.

In den vergangenen zehn Jahren hat die Forschungsgruppe von Prof. Campàs die mechanischen Signale entdeckt, die Zellen in den komplexen Geweben eines Embryos leiten. Mit einer einzigartigen Technik, die in seinem Labor entwickelt wurde, konnten die Forscher lebendes Gewebe auf die gleiche Weise wie Zellen untersuchen und herausfinden, welche mechanischen Strukturen die Zellen wahrnehmen.

Wir untersuchten zunächst, wie Zellen bei der Differenzierung ihre Mikroumgebung mechanisch testen und bei der Differenzierung die Körperachse eines Wirbeltiers aufbauen. Zellen verwendeten verschiedene Vorsprünge, um ihre Umgebung zu drücken und zu ziehen. Also haben wir quantifiziert, wie schnell und stark sie vorangetrieben haben.“

Professor Otger Campàs, Exzellenzcluster Physik des Lebens der TU Dresden

Mithilfe eines ferromagnetischen Öltröpfchens, das sie zwischen sich entwickelnde Zellen einführten und einem kontrollierten Magnetfeld aussetzten, konnten sie diese kleinen Kräfte nachahmen und die mechanische Reaktion der Zellumgebung messen.

Die Beobachtung der Gewebearchitektur und der Zellen verändert das Schicksal

Entscheidend für die Aktionen dieser embryonalen Zellen ist ihr kollektiver physikalischer Zustand, den Campàs und seine Forschungsgruppe in einer früheren Arbeit als den eines aktiven Schaums beschrieben haben, der in seiner Konsistenz Seifenlauge oder Bierschaum ähnelt, wobei die Zellen durch Zelladhäsion verklumpt sind zusammenziehen. Was die Zellen mechanisch erforschen, fanden Campàs und sein Team heraus, ist der kollektive Zustand dieses „lebenden Schaums“ – wie steif er ist und wie eingeschränkt die Anordnung ist. „Und genau dann, wenn Zellen sich differenzieren und beschließen, ihr Schicksal zu ändern, ändern sich die materiellen Eigenschaften des Gewebes, das sie wahrnehmen.“ Ihm zufolge verliert das Gewebe in dem Moment, in dem die Zellen im Gewebe über ihr Schicksal entscheiden, seine Starrheit.

Vorwärts gehen

Was in dieser Studie unbewiesen bleibt, ist die komplexe Frage, ob – und wenn ja, wie – die Änderung der Steifigkeit in der embryonalen Umgebung die Änderung des Zellzustands verursacht. „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 Zellen im Gewebe wahrnehmen. Dieses Zusammenspiel ist das Herzstück von wie die Natur Organismen baut.“

Die Ergebnisse dieser Studie können auch wichtige Implikationen für das Tissue Engineering haben. Potenzielle Materialien, die im Gegensatz zu den üblicherweise verwendeten synthetischen Polymer- oder Gelgerüsten die schaumartigen Eigenschaften des embryonalen Gewebes nachahmen, könnten Forscher in die Lage versetzen, im Labor robustere und fortschrittlichere synthetische Gewebe, Organe und Implantate mit den richtigen Geometrien herzustellen mechanische Merkmale für die gewünschten Funktionen.