Forskere afslører, hvordan celler styrer den fysiske tilstand af embryonale væv

I livets tidligste stadie, dyr gennemgår nogle af deres mest spektakulære fysiske transformationer. Engang kun klatter af delende celler, de begynder at omarrangere sig selv til deres mere karakteristiske former, være de fisker, fugle eller mennesker. At forstå, hvordan celler fungerer sammen for at bygge væv, har været et grundlæggende problem i fysik og biologi.

Nu, UC Santa Barbara professor Otger Campàs, som også har Mellichamp-stolen i systembiologi og bioteknik, og Sangwoo Kim, en postdoc i professor Campàs laboratorium, har nærmet sig dette spørgsmål, med overraskende fund.

"Når du har mange celler, der fysisk interagerer med hinanden, hvordan opfører systemet sig kollektivt? Hvad er ensemblets fysiske tilstand?" sagde Campàs.

Ja, forklarede han, embryonalt cellevæv er et "underligt materiale, " med hver celle, der forbruger kemisk energi og bruger den til at påføre kræfter til sine naboer og koordinere deres handlinger. In vitro undersøgelser med celler i syntetiske fade giver kun en del af billedet, han tilføjede; ved at studere celler i deres oprindelige miljø, det levende embryo, de kunne finde ud af, hvordan celler styrer deres kollektive tilstand og de faseovergange, der opstår fra deres symfoni af skub og træk.

I et blad udgivet i Naturfysik , Campàs, Kim og kolleger rapporterer udviklingen af ​​en beregningsramme, der fanger de forskellige interaktioner mellem celler og forbinder dem med embryonal vævsdynamik. I modsætning til tidligere simuleringer, denne ramme tager højde for flere nøglefunktioner, der er relevante for celleinteraktioner, såsom mellemrum mellem celler, celleformer og spændingsudsving, hvor cellerne mødes.

"For fuldt ud at forstå den fysiske adfærd af embryonale væv, alle nøgleaspekter af embryonale væv i cellulær skala bør tages i betragtning i modellen, da emergent vævs egenskaber stammer fra interaktioner på cellulær skala, " sagde Kim, hovedforfatteren af ​​undersøgelsen. "Der er adskillige modeller til at studere embryonale væv, men der er ingen generel ramme, der inkluderer disse nøglefunktioner, hindrer den holistiske forståelse af embryonale vævs fysiske adfærd."

Jiggling celler

Embryonalt væv, ifølge forskerne, opfører sig fysisk lidt som et vandigt skum, et system sammensat af individuelle luftlommer klumpet sammen i en væske. Tænk sæbeskum eller ølskum.

"I tilfælde af skum, dens struktur og dynamik er styret af overfladespænding, " sagde Kim. Analoge kræfter findes, hvor celler kommer i kontakt med hinanden i embryonalt væv, på både indersiden af ​​cellemembranerne og mellem celler.

"Effektive kræfter, der virker på celle-til-celle-forbindelser, er styret af kortikal spænding og celle-til-celle-adhæsion, " sagde Kim, "så nettokraften ved celle-til-celle-kontakterne kan modelleres som en effektiv overfladespænding."

Imidlertid, i modsætning til de mere statiske kræfter mellem celler i typiske skum, kræfterne mellem celler i embryonalt væv er dynamiske.

"Celler i væv genererer ikke statiske kræfter, men i stedet udvise dynamisk skub og træk over tid, " Campàs forklarede. "Og vi finder ud af, at det faktisk er disse spændingsudsving, der effektivt 'smelter' vævet til en flydende tilstand." Det er denne fluiditet i vævet, der tillader celler at omorganisere og forme vævene, forklarede han.

Forskerne satte deres model på prøve ved at måle, hvordan kræfter ændrer sig over tid i embryonale zebrafisk, en populær modelorganisme for dem, der studerer hvirveldyrs udvikling. Baseret på en teknik udviklet i Campàs Lab ved hjælp af små magnetiske dråber indsat mellem celler i embryonale zebrafisk, de kunne bekræfte, i øvrigt deformerede dråben, de dynamiske kræfter bag vævets flydende tilstand.

Deres konstatering af, at spændingsudsving er ansvarlige for fluiditeten af ​​væv under udvikling, står i modsætning til den almindeligt accepterede opfattelse, at ændringer i adhæsion mellem celler er den kritiske faktor, der styrede fluiditeten af ​​vævet - hvis adhæsionen mellem celler nåede en vis høj tærskel , vævet ville blive flydende.

"Men da cellekræfter og spændinger svinger i embryoner, det kunne være, at disse spillede en vigtig rolle i vævsfluidisering, " sagde Campàs. "Så da vi kørte simuleringerne og lavede eksperimenterne, vi indså, at jigglingen faktisk var meget vigtigere for fluidiseringen end adhæsionen." Vævets flydende tilstand er resultatet af kræfternes dynamik, snarere end ændringer i statisk cellespænding eller adhæsion.

Resultaterne af denne undersøgelse kan have implikationer inden for fysik, især i området for aktivt stof - systemer af mange individuelle enheder, der hver forbruger energi og anvender mekaniske kræfter, der kollektivt udviser emergent kollektiv adfærd. Undersøgelsen kunne også informere studier i biologi, i undersøgelser af, hvordan ændringer i individuelle celleparametre kunne kontrollere den globale tilstand af vævet såsom med embryonal udvikling eller med tumorer.