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Mittwoch, 06. März 2019

Jetzt wird´s eng

Wie Zellen durch kleinste Lücken schlüpfen

Brustkrebszelle passiert künstliche Engstelle passiert

Mikroskopische Aufnahme einer Brustkrebszelle, die eine künstliche Engstelle passiert.

Bei ihrer Wanderung durch den Körper müssen sich Krebs- und Immunzellen durch kleinste Lücken in engmaschigem Gewebe zwängen. Biophysiker der LMU München zeigen jetzt in einem Modell, wie Zellen sich in solchen Fällen verhalten.

Im menschlichen Körper herrscht ein geschäftiges Treiben von umherwandernden Zellen. Besonders mobil sind Immun- und Krebszellen, die auf ihren Wegen zahlreiche Hindernisse wie beispielsweise dichtes Gewebe passieren müssen. Unter der Leitung von Prof. Chase Broedersz und Prof. Joachim Rädler haben theoretische und experimentelle Biophysiker der LMU München ein datenbasiertes Modell entwickelt, um die Wanderung von Zellen in räumlich begrenzten Umgebungen zu untersuchen. Die Ergebnisse wurden jetzt online im Fachmagazin Nature Physics veröffentlicht.

Insel-Hopping

Ihre Idee war es, eine bewegliche Zelle in einer künstlichen, räumlich begrenzten Umgebung im Mikrometer-Maßstab zu beobachten. Der Versuchsaufbau besteht aus zwei Inseln, jeweils etwas größer als eine Zelle und verbunden mit einer schmalen Brücke. Durch diese Engstelle zwängt sich die Zelle aus eigenem Antrieb, um zur anderen Insel zu gelangen. Mit einem Zeitraffer-Mikroskop verfolgten die Wissenschaftler die Bewegung: Dabei entdeckten sie, dass Brustkrebszellen pausenlos zwischen den Inseln hin- und herpendeln. Durch die Beobachtung hunderter Zellen konnten die Biophysiker Rückschlüsse auf die Dynamik ziehen, mit der Zellen solche physikalischen Barrieren überwinden.

Entscheidend für den Erfolg der Studie war die enge Zusammenarbeit zwischen Theorie und Praxis. „Wir haben darauf geachtet, den Versuchsaufbau so einfach und kontrollierbar wie möglich zu gestalten“, so Joachim Rädler. „Das ermöglicht es uns, mit einem „Big Data“-Ansatz zu arbeiten.“

Fluktuationen herausrechnen

Hinter dem theoretischen Modell der Biophysiker steht eine Bewegungsgleichung, mit der sich viele physikalische Systeme beschreiben lassen wie beispielsweise das Kreisen der Planeten um die Sonne. Zellen sind jedoch viel kleiner und ihre Bewegungen werden stärker durch intrinsische Fluktuationen beeinflusst. „Mit unserem Modell ist es uns gelungen, den deterministischen und den unvorhersehbaren Teil der Bewegung, den Fluktuationen, getrennt zu berechnen.“, erklärt Chase Broedersz. „Nur so können wir verstehen, wie Zellen trotz der zufälligen Fluktuationen Bewegungen verlässlich ausführen können.“

Jeder Zelltyp bewegt sich anders

Nachdem die Wissenschaftler die Fluktuationen herausgefiltert hatten, entdeckten sie, dass Brustkrebszellen und gesunde Brustzellen unterschiedliche Bewegungsmuster aufweisen. „Die Kombination des speziellen Versuchsaufbaus mit dem datenbasierten Ansatz bringt die charakteristischen Eigenschaften der Zelle zum Vorschein“, sagt David Brückner, Erstautor der Studie. „Damit lässt sich eine Art „Bewegungs-Fingerabdruck“ erstellen, mit dem man verschiedene Zelltypen unterscheiden kann.“

Chase Broedersz fasst die Ergebnisse zusammen: „Unser Ansatz beschreibt Zellbewegung in begrenzten Systemen mit Hilfe dynamischer Systemtheorie und zeigt, wie die Zellen sich an ihre Umgebung anpassen. Potentielle Anwendungen liegen in der quantitativen Beurteilung von Zellverhalten auch in komplexeren biologischen Umgebungen.“ (BZ)

 

Publikation:

Stochastic nonlinear dynamics of confined cell migration in two-state systems. David B. Brückner, Alexandra Fink, Christoph Schreiber, Peter J. F. Röttgermann, Joachim O. Rädler, Chase P. Broedersz. Opens external link in new windowNature Physics (2019). Published online: 04 March 2019


Bildbeschreibung:

Mikroskopische Aufnahme einer Brustkrebszelle beim Passieren einer künstlichen Engstelle, die zwei Quadrate verbindet. Die grau markierte Oberfläche ist mit einem Protein überzogen, an das die Zelle adhärieren kann, während die Umgebung für die Zelle nicht begehbar ist. Die Langzeitaufnahmen zeigen, dass die Zelle kontinuierlich zwischen den beiden Quadraten hin- und herwandert.

 

Kontakt:

Prof. Chase Broedersz
Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU)
Statistical and Biological Physics
Theresienstraße 37
80333 München

C.Broedersz(at)lmu.de
Tel: 089/2180 4514

 

Prof. Joachim Rädler
Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU)
Fakultät für Physik
Geschwister-Scholl-Platz 1
80539 München

raedler(at)lmu.de
089/2180 2438

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