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NIM nanosystems initiative munich
Meldung

Donnerstag, 05. April 2018

Die Bewegung macht‘s: Wie Zellen ihre Umgebung beeinflussen

Biophysik

Humane Brustkrebszellen (blau) in einer Matrix aus Kollagenfasern (grün). Beim Kontrahieren ziehen die Zellen stark an diesem Faser-Netzwerk. Bild: C. Broedersz

Humane Brustkrebszellen (blau) in einer Matrix aus Kollagenfasern (grün). Beim Kontrahieren ziehen die Zellen stark an diesem Faser-Netzwerk. Bild: C. Broedersz

Lebende Zellen in einem Gewebeverband können an umgebenden Fasern ziehen. Dieses Ziehen der Zellen kann die Steifigkeit der Matrix drastisch verstärken, wie NIM-Biophysiker Prof. Chase Broedersz und Kollegen zeigen. Um die elastischen Interaktionen zwischen Zellen und ihrer Umgebung zu messen, haben sie eine neue Methode entwickelt: die Nonlinear Stress Interference Microscopy (NSIM).


In lebenden Organismen wachsen Zellen eingebettet in einer extrazellulären Matrix, einem 3-dimensionalen Netzwerk von Biopolymeren. Die mechanischen Eigenschaften dieses Netzwerkes können das Verhalten der Zellen stark beeinflussen, diesen Effekt nennt man Mechanosensitivität. Die Mechanosensitivität kann verschiedenste zelluläre Prozesse beeinflussen, z.B. die Genexpression, Zellmigration und Stammzell-Differenzierung.
Professor Öffnet externen Link in neuem FensterChase Broedersz und Kollegen am MIT, in Paris und in Princeton haben herausgefunden, dass die Interaktion zwischen Zellen und der Matrix auf zwei Wegen abläuft: Zum einen fühlen die Zellen die Steifigkeit der Umgebung, zum anderen verändern sie diese aber auch drastisch. Denn die Zellen adhärieren an das Netzwerk und ziehen daran, dadurch erzeugen sie Spannungen in der umgebenden Matrix, die deren Steifigkeit um ein hundertfaches erhöhen können. Diese Arbeit ist der erste direkte Beweis, dass Zellen ihre mechanische Kontraktion dazu nutzen, um die Steifigkeit des umgebenden 3-dimesionalen Gewebes drastisch zu beeinflussen.

Nonlinear Stress Inference Microscopy (NSIM)
„Wenn wir über eine Brücke laufen, dann verändert dies nicht die mechanischen Eigenschaften dieser Konstruktion. Durch unsere Arbeit konnten wir aber zeigen, dass die Situation anders ist für Zellen, die in einem Gewebe eingebettet sind. Sobald sich diese durch die Matrix bewegen, ziehen sie an der Struktur und verstärken deren Steifigkeit deutlich“, erklärt Broedersz.
Diese Zunahme der Steifigkeit der Matrix wird dadurch möglich, dass sich die Steifigkeit des Biopolymer-Netzwerkes höchst nicht-linear verhält: Sobald sie sich in ihrer Form verändert, versteift sich die Matrix. Dieses Verhalten steht im Gegensatz zur Reaktion der meisten nicht-biologischen Materialien. Broedersz und seine Kollegen haben diese Nicht-Linearität ausgenutzt, um eine neue Methode zur Charakterisierung von Zell-Matrix-Wechselwirkungen zu untersuchen. Die von ihnen entwickelte sogenannte Nonlinear Stress Inference Microscopy (NSIM) ermöglicht es, den durch eine Zelle ausgelösten mechanischen Stress in 3D zu messen. Dadurch kann aufgeklärt werden, wie Zellen mechanisch mit ihrer Umgebung interagieren.
Durch diese Arbeit, die in Öffnet externen Link in neuem FensterPNAS publiziert ist, wird die Wichtigkeit von zellulärem Stress und den mechanischen Eigenschaften der umgebenden extrazellulären Matrix auf mikroskopischem Maßstab hervorgehoben. Auch wird ein konkreter Mechanismus beschrieben, wie Zellen ihre ‚Mikroumgebung‘ kontrollieren und auf mechanischem Wege miteinander kommunizieren können.

Zellen verstärken aktiv die Steifigkeit der extrazellulären Matrix
Mittels der NSIM konnten Broedersz und seine Kollegen zeigen, dass die Kontraktion von Zellen starken Stress auslöst. Durch diesen Stress wird über einen weiten Bereich innerhalb der 3D-Matrix ein starker Steifigkeits-Gradient erzeugt.
„Interessanterweise haben wir in allen untersuchten Matrix-Modellen das gleiche Verhalten gemessen: der von den Zellen induzierte Stress wird weitergeleitet und das mit einer großen Reichweite“, sagt Broedersz, „In einfachen Worten: die Stressbewegung, die von den Zellen ausgelöst wird, verteilt sich wie in einem Netzwerk von Seilen. Dieses Verhalten haben wir nicht erwartet, da unseren Überlegungen die Elastische Theorie von normalen Materialien zu Grunde lag. Durch die aktive Stressbewegung von Zellen kann eine nicht-lineare Steifigkeitsreaktion der Matrix über weite Distanzen angeregt werden.“

Spannungsmessung an kontrahierenden Zellen
In ihren experimentellen Arbeiten haben die Biophysiker Zellen in 3-dimensionale biologische Matrizen eingebettet, und mit Latex-Kügelchen durchsetzt. An diesen Kügelchen haben sie dann mit Hilfe von Optischen Pinzetten gezogen. Dadurch konnte die Spannung und Steifigkeit in der Matrix an verschiedenen Stellen rund um die Zellen gemessen werden.
„Durch diese Methode konnten wir direkt an lebenden Zellen messen, wie sie ihre ‚Mikroumgebung‘ beeinflussen“, beschreibt Broedersz, „der zell-induzierte Stress führt zu weit reichenden Veränderungen der Steifigkeit. Prinzipiell können andere Zellen in der umgebenden Matrix die Änderungen wahrnehmen und darauf reagieren. Das legt die Vermutung nahe, dass die von Zellen ausgelöste Steifigkeitsverstärkung einen konkreten Mechanismus der mechanischen Kommunikation zwischen verschiedenen Zellen innerhalb einer Matrix darstellt.“
Die Beobachtungen verdeutlichen die entscheidende Rolle von nicht-linearer Mechanik in der Entstehung von Zell-Matrix-Interaktionen, die vielleicht auf diesem Wege auch das Verhalten und die physiologischen Funktionen von Zellen steuern. Durch ihre Einfachheit kann die NSIM-Methode für verschiedene Fragestellungen angewandt werden, z.B. in der Erforschung der Embryonal- und Tumorentwicklung.


Publikation:
Cell contraction induces long-ranged stress stiffening in the extracellular matrix.
Han YL, Ronceray P, Xu G, Malandrino A, Kamm R, Lenz M, Broedersz CP, Guo M. PNAS April 4, 2018. 201722619; published ahead of print April 4, 2018. Öffnet externen Link in neuem Fensterdoi.org/10.1073/pnas.1722619115


Kontakt:

Prof. Dr. Chase Broedersz
Theoretical Statistical and Biological Physics
Arnold Sommerfeld Center for Theoretical Physics
Ludwig-Maximilians-Universität
Theresienstraße 37
D - 80333 München

Phone: +49 (0)89 2180 4514

E-Mail: Öffnet ein Fenster zum Versenden der E-Mailc.broedersz(at)lmu.de

Web: Öffnet externen Link in neuem Fensterwww.theorie.physik.uni-muenchen.de/lsfrey/group_broedersz/index.html

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