Neue Art von Zellbewegung entdeckt

Seit Jahrzehnten haben Forscher Petrischalen verwendet, um die Zellbewegung zu studieren. Diese klassischen Gewebekulturwerkzeugejedoch nur erlauben zweidimensionale Bewegung , ganz anders als die dreidimensionalen Bewegungen , die Zellen in einen menschlichen Körper zu machen .


Penn und NIH Forscher messen den Innendruck der einzelnen Fibroblastzellen (orange ) Bewegen durch eine dreidimensionale Matrix ( in blau). Sie fanden heraus , dass in diesem Umfeld der Zellen Kerne arbeiten wie Kolben eines Motors , um die Zelle vorantreiben .
Bildnachweis: Universität von Pennsylvania / NIDCR

In einer neuen Studie von der University of Pennsylvania und National Institute of Dental -und Gesichtschirurgische Forschung, die Wissenschaftler eine innovative Technik zu untersuchen, wie Zellen in einer dreidimensionalen Matrix , ähnlich der Struktur von bestimmten Geweben wie der Haut weg. Sie entdeckten eine völlig neue Art von Zellbewegung , wobei der Kern hilft treiben Zellen durch die Matrix wie ein Kolben in einem Motor , Druckerzeugung , die Plasmamembran der Zelle nach vorne schiebt .

"Unsere Arbeit aufgeklärt eine hoch spannende Frage : wie Zellen zu bewegen, wenn sie in der komplexen und physiologisch relevanten Umfeld eines 3-D- extrazelluläre Matrix ", sagte Hyun ( Michel ) Koo , ein Professor in der Abteilung für Kieferorthopädie an der Penn School of Dental Medizin . " Wir haben entdeckt, dass der Kern als ein Kolben , der physisch compartmentalizes Zellzytoplasma und erhöht den hydrostatischen Druck den Antrieb der Zellbeweglichkeit in einem 3-D -Matrix handeln."

Koo arbeitete mit Hauptautor Ryan Petrie und leitende Autor Kenneth Yamada, sowohl von den National Institutes of Health NIDCR , auf der Studie, die in Science veröffentlicht wird .

"Wir denken, es ist ein sehr wichtiger normalen physiologischen Mechanismus der Zellbewegung , die bisher nicht charakterisiert worden ist ," sagte Petrie .

Das Team untersuchte Fibroblasten, die häufigste Art von Zelle im Bindegewebe gefunden. Fibroblasten selbst Proteine, einschließlich Kollagen und Fibronectin , die in einer komplexen Matrix , die in der Haut, den Darm und andere Gewebe im Körper zu finden ist, zu verbinden herzustellen.

Die Forscher verwendeten dieses Fibroblasten - Matrix erstellt , um zu testen , wie Zellen wandern durch eine dreidimensionale Struktur . Die Matrix vernetzt werden, wodurch ihre Fasern sind biege- und Biegung als die Zellen hindurch zu bewegen .

Untersuchungen von Fibroblasten auf zweidimensionalen Oberflächen an, dass die typische Form der Bewegung beteiligt Vorsprünge genannt Lamellipodien , die durch die Polymerisation des Proteins Aktin- Fasern, die in die Zellmembran nach vorne zu schieben. Im Jahre 2012 jedoch Petrie und Yamada zeigten, dass bei Fibroblasten wandern sie zu einer anderen Bewegung Strategie wechseln kann , wenn sie in einer dreidimensionalen Matrix angeordnet ist, mit einer stumpfen Vorsprünge genannt Lobopoden .

Was die Forscher nicht wussten, war , wie diese Lobopoden gebildet. Verdacht könnten sie von der erhöhten intrazellulären Druck erzeugt werden kann, verwendet das Team anspruchsvolle Mikroelektroden auf den hydrostatischen Druck der Flüssigkeit in der Zelle zu messen. Sie fanden heraus , dass der Luftdruck war in Zellen, die sich in einer dreidimensionalen extrazellulären Matrix signifikant höher als in Zellen, die sich entlang einer zweidimensionalen Fläche oder in einer dreidimensionalen Matrix, die nicht wie der Fibroblasten- Matrix gebunden wurde, zu überqueren.

Weiter aufzureißen und zu sehen, wie der Druck innerhalb der Zelle bewegt sich in einer dreidimensionalen Matrix verteilt sind, gemessen wird sie dem Druck vor und hinter dem Kern. Cells bewegt mit Lobopoden haben Druck vor dem Kern erhöht, aber nicht dahinter , Energieerzeugung , um die Zelle vorwärts zu treiben . Verwendung lebender Zellen konfokale Mikroskopie beobachteten sie, dass der Kern kann nach vorne gezogen werden , von der Rückseite der Zelle , mit dem Kern , welche die Zelle in die Niederdruck und Hochdruck- Kammern .

" Wenn eine Zelle in der Matrix ist, neigt der Kern an der Rückseite der Zelle , und die Zellenkörper wird ganz rohrförmig ", so Petrie . "Es sah wirklich wie ein Kolben . "

Sie fanden heraus, dass der Kern tatsächlich vorwärts durch die Aktinfilamente , die den Kern an der Vorderseite der Zelle zu verbinden gezogen . Diese Bewegung " unter Druck " der Zelle . Die Wissenschaftler konnten auch die Proteinkomponenten zur Bewegung des Kernkolben, einschließlich Actomyosin , Vimentin und Nesprin verantwortlich sind .

"Der Druck selbst ist , was treibt die Plasmamembran ," sagte Petrie .

Weil dies nur geschehen , um Zellen sich in der dreidimensionalen Zelle erstellten Matrix und keine Zellen Bewegung in anderen Substraten , die Forscher beachten , dass die Zellen werden müssen Erfassen ihrer physischen Umgebung , um festzustellen , welche Art von Bewegung zu verwenden .

Diese Art der Zellmigration könnte in anderen Geweben des Körpers häufig, stellten die Forscher . Wenn sie nahmen Chondrozyten aus Knieknorpel und Myofibroblasten aus Darmgewebe und legte sie in der Matrix , verwendet diese Zellen die gleiche Art von Lobopoden getriebene Bewegung.

Die Entdeckung könnte Auswirkungen für das Verständnis von Krankheiten wie Krebs als gut, weil Krebszellen sind in der Regel in verschiedene Arten von normalen Zellen zu bewegen.

"Es könnte uns geben Hebel, um herauszufinden, was ist das Besondere an Krebszellen , damit wir sie therapeutisch zielen und nicht auf den normalen Zellen", sagte Petrie .

Wichtig ist, könnten diese Ergebnisse eine breitere Bedeutung zu anderen biologischen Systemen, bei denen lebende Zellen in eine extrazelluläre Matrix verstrickt und umgeben , wie in Biofilmen , die mit vielen Infektionskrankheiten beim Menschen assoziiert sind.

"Diese Arbeit zeigt, wie die physikalische Struktur der Matrix Zelleigenschaftenzu beeinflussen, um die biologische Funktion zu regieren ", sagte Koo . "Wir sind jetzt die Anwendung dieser faszinierenden Prinzipien zu verstehen, wie Biofilmmatrix moduliert bakteriellen Virulenz orale Erkrankungen wie Karies verursachen. "