Undersøgelse afslører en unik måde for cellemigration på bløde viskoelastiske overflader

Inde i din krop, cellebevægelse spiller en afgørende rolle i mange væsentlige biologiske processer, herunder sårheling, immunreaktioner og den potentielle spredning af kræft.

"De fleste mennesker dør ikke af at have en primær tumor, " sagde Kolade Adebowale, en kandidatstuderende i kemiteknik, og et medlem af Chemical Biology Interface (CBI) kandidatuddannelse i kemi, Engineering &Medicine for Human Health (ChEM-H) ved Stanford University. "Problemet er, når kræftceller fra tumoren opnår evnen til at metastasere eller flytte til forskellige dele af kroppen."

Som et forsøg på at fremme undersøgelser af cellemigration, Adebowale og kolleger i laboratoriet hos Ovijit Chaudhuri, lektor i maskinteknik ved Stanford, har arbejdet på at udvikle og teste nye typer materiale, der tæt efterligner det rigtige væv, der omgiver celler. Nye resultater bygget på dette arbejde, udgivet 19. april i Naturmaterialer , forbedre "lærebogens" syn på cellemigration og give bedre indsigt i virkningen af ​​et materiales elastiske og viskøse egenskaber på celler.

"Vi fandt ud af, at det gør en stor forskel, om kræftcellerne er på en meget stiv plast, eller om de er på et blødt og viskoelastisk materiale, som en Jell-O, " sagde Adebowale, som er hovedforfatter af papiret. "Dette føjer til en masse nyere beviser på, at kræftens adfærd ikke kun handler om kræftcellerne - det handler også om miljøet, som kræftcellerne interagerer med."

Som fjollet kit

Cellemigration studeres traditionelt på en hård, gennemsigtigt stykke polymer kaldet "vævskulturplast" eller elastiske hydrogeler, som bløde kontaktlinser. Baseret på disse undersøgelser, den nuværende overbevisning er, at celler ikke kan migrere på hydrogeler, der er for bløde. Imidlertid, forskerne sigter mod at efterligne det virkelige biologiske væv, som celler migrerer på - som er bløde og ikke rent elastiske, som et gummibånd, men viskoelastisk.

"De er solide materialer, men de har også viskøse og flydende egenskaber, der tillader dem at flyde over længere tidsskalaer, " sagde Adebowale.

Eksempler på viskoelastiske materialer som dem, der er skabt til forskningen, omfatter brøddej, mozzarella og fjollet kit, ifølge Chaudhuri. Disse materialer modstår oprindeligt deformation, som et elastisk materiale, men viskøst slappe af den modstand over tid.

Da forskerne studerede kræftcellers bevægelse på deres mere vævslignende substrat, resultaterne var i modstrid med eksisterende forventninger.

"Vi fandt ud af, at når substratet er viskoelastisk, cellerne kan migrere ganske robust, selvom den er blød, " sagde Chaudhuri, som er seniorforfatter af papiret.

Ikke kun fandt undersøgelsen ud af, at celler kan migrere på bløde, viskoelastiske underlag, forskerne opdagede også, at migrationsbevægelsen er unik. På en stiv, 2D overflade som vævskulturplast, celler klæber til overfladen og danner et viftelignende fremspring. Dette fremspring, kaldet et lamellipodium, driver fremadgående bevægelse ved at forlænge forkanten fremad og skubbe af overfladen. På de viskoelastiske materialer holdet skabte, cellerne spredte sig ikke så meget. I stedet, de brugte tynde, pig-lignende fremspring kaldet filopodia til at drive deres bevægelse. Yderligere, deres eksperimenter viste, at cellerne bruger det, der kaldes en "molekylær kobling" til at migrere på substraterne.

"Forestil dig, at du bevæger dig på is. Hvis du ikke har nok vedhæftning til isen, og prøv at løbe, du vil ikke gå nogen steder, " sagde Chaudhuri. "Du har virkelig brug for et stærkt greb for at skubbe af og komme videre. Det er, hvad den molekylære kobling gør for celler."

Robust migrerende celler på stiv vævskulturplast danner stærke adhæsioner til substratet. Forfatterne observerede, at celler på bløde, viskoelastiske substrater er også i stand til at migrere robust, men vigtigt, disse celler er i stand til at gøre det med færre, svage sammenvoksninger - som om cellerne bevæger sig på deres tæer, ikke hele deres fod.

"Jeg tror, ​​at det mest overraskende var, at den materielle egenskab - viskoelasticitet - kan have en så dramatisk indflydelse på cellernes evne til at migrere, " sagde Adebowale.

Viskoelasticitet og cellekultur

Det faktum, at den måde for cellemigration, som forskerne observerede, ikke ses på hårde substrater eller substrater, der kun er elastiske, viser, hvordan viskoelasticitet er essentiel for cellernes adfærd - og derfor vigtig at replikere i fremtidige undersøgelser.

"Dette udfordrer lærebogens syn på, hvordan vi forstår cellemigration, " sagde Chaudhuri. "Celler migrerer anderledes på viskoelastisk væv, end de gør på glas, petriskåle af plast eller elastiske geler. Så, hvis vi vil studere cellemigration, vi skal bruge viskoelastiske substrater."

Mens undersøgelsen så på enkeltcelle migration, kræftceller migrerer som en gruppe i kroppen, og forskellige stadier i udviklingen involverer den kollektive bevægelse af celler. Næste, forskerne håber at kunne besvare spørgsmålet om, hvordan viskoelasticitet påvirker kollektiv cellemigration.