Eine Dosis Wissenschaft | Was versuchen Wissenschaftler, indem sie Zellen wie Schafe herumtreiben?

Forscher der Princeton University haben ein Gerät entwickelt, das mithilfe elektrischer Felder Zellen dazu bringt, sich in Gruppen wie Schafen zu bewegen. Dieses Zeitraffervideo zeigt eine Zellschicht, die sich unter einem Mikroskop über einen Zeitraum von acht Stunden um 90 Grad dreht.

01: Trainiere einen Schäferhund

Wissenschaftler wissen seit langem, dass natürlich vorkommende elektrochemische Signale im Körper die Migration, das Wachstum und die Entwicklung von Zellen beeinflussen können – ein Phänomen, das als Elektrotaxis bekannt ist. Diese Verhaltensweisen sind nicht so gut verstanden wie die Chemotaxis, eine Reaktion auf Unterschiede in der Konzentration chemischer Stoffe in der Zelle. Das Haupthindernis besteht im Mangel an praktischen Werkzeugen zur genauen Untersuchung der Reaktion der Zelle auf elektrische Felder.

Ein neues System, das aus kostengünstigen und leicht verfügbaren Teilen zusammengesetzt ist, ermöglicht es Forschern, die Bewegung kultivierter Zellen auf zuverlässige und reproduzierbare Weise zu manipulieren und zu messen. In einem im letzten Jahr in Cell Systems veröffentlichten Artikel beschrieb das Princeton-Team den Zusammenbau und vorläufige Studien mit dem Gerät, das sie SCHEEPDOG-Apparat nannten.

Der leitende Autor Tom Zaidel, ein Postdoktorand, sagte, dass frühere Systeme zur Untersuchung zellulärer Reaktionen auf elektrische Felder „entweder maßgeschneidert und handgefertigt waren, was Probleme mit der Reproduzierbarkeit aufwies, oder die Herstellung von Geräten erforderte, was sie teuer und für viele Labore unzugänglich machte. Wir wollten Rapid-Prototyping-Methoden nutzen, um ein wohldefiniertes Gerät herzustellen, das auf eine Kulturschale geklemmt werden kann.“ Das SCHEEPDOG-Gerät enthält zwei Elektrodenpaare zur Erzeugung elektrischer Felder entlang der horizontalen und vertikalen Achsen mit Spannungspegeln, die denen einer herkömmlichen AA-Batterie nahe kommen.

Es gibt Hinweise darauf, dass die Umkehrung der Richtung natürlicher elektrischer Felder die Wundheilung in Tiermodellen hemmen kann, während die Verstärkung vorhandener elektrischer Felder die Heilung verbessern kann.

„Auf der Ebene einzelner Zellen gibt es für uns noch viel Neuland zu erforschen, aber das Schöne an der Gruppendynamik ist, dass man, auch wenn man nicht alles über die einzelnen Personen weiß, das Verhalten auf Gruppenebene so gestalten kann, dass praktische Ergebnisse erzielt werden.“

Dieses Zeitraffervideo zeigt die programmierten Kreismanöver in einer Zellschicht über einen Zeitraum von 8 Stunden. Links: Mikroskopbild von Zellen; Mitte: ihre Bewegungsbahnen; rechts: Änderungen in der Richtung des elektrischen Feldes

„Die Zellen erfassen einen virtuellen Winkel, der es uns ermöglicht, jede komplexe Bewegung zu programmieren, beispielsweise einen vollständigen Kreis“, sagte Cohen. „Das ist wirklich überraschend – es ist ein erstaunliches Maß an Kontrolle, das wir nicht für möglich gehalten hätten, insbesondere wenn Tausende benachbarter Zellen diese Dinge auf Befehl tun.“

Michael Levine, Direktor des Zentrums für Regenerative und Entwicklungsbiologie an der Tufts University, sagte, die Studie „trage zum Wissen darüber bei, wie Zellen auf bioelektrische Aspekte ihrer Umgebung reagieren, und sie zeige eine Technik, mit der sich nicht nur die Aktivität einzelner Zellen als Reaktion auf bioelektrische Signale, sondern auch das kollektive Verhalten von Zellen untersuchen lässt. Dies sei von entscheidender Bedeutung für das Verständnis, wie physikalische Kräfte die synergistischen Effekte ausüben, die wir bei der Embryogenese, Regeneration und Krebs beobachten.“

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Mit SCHEEPDOG erweitert das Team seine Studien auf verschiedene Zelltypen und Umgebungen. Der Doktorand Gawoon Shim untersucht, wie sich unterschiedliche Zelladhäsionsgrade auf die gerichtete Zellmigration auswirken, und liefert damit eine theoretische Grundlage für die Regeneration von Haut, Blutgefäßen und Nervenzellen in geschädigtem Gewebe.

„Dies ist der erste Schritt zu jeder Heilung und Regeneration, die wir in einer Vielzahl klinischer Kontexte benötigen könnten“, sagte Shim, Co-Leitautor der Studie. „Wir lernen, wie wir die Zellen dorthin lenken, wo wir sie brauchen, und dann können wir herausfinden, was sie anschließend tun werden.“

02: Die Leine losbinden

Was passiert auf zellulärer Ebene, wenn Wunden im wirklichen Leben heilen?

In früheren Vorstudien stellten sie fest, dass sich die reifen Hautzellen als Reaktion auf einen elektrischen Strom nicht mit der Geschwindigkeit und Präzision einer Blaskapelle bewegten, sondern eher langsam wie eine Gruppe von Menschen, die ihre Nachbarn an den Händen halten.

Reife Haut bringt noch ein weiteres Problem mit sich: Sobald die Vorderkante einer Zelle vorrückt, löst sie sich von der Schale und stirbt. „Wenn Sie Befehle anwenden, die sich von dem unterscheiden, was die Zelle von Natur aus tun möchte, geraten Sie in ein Tauziehen“, sagte Cohen. „Das Ergebnis ist, dass die Organisation sich selbst zerrissen hat.“

Cohen und Shim vermuteten, dass ein „Handshake“ zwischen den Zellen das Gewebe daran hinderte, elektrischen Befehlen reibungslos zu folgen. Bei diesen Handschlägen handelt es sich um Proteine ​​namens Cadherine, die benachbarte Zellen zusammenhalten. Sie sorgen für den Zusammenhalt des Gewebes, sodass es sich gemeinsam bewegen kann, können aber auch zu Staus führen, wenn den Zellen kein Bewegungsspielraum bleibt.

Cadherine benötigen Kalziumionen, um ihre Verbindungen zu vervollständigen, also inkubierte Shim Zellen mit unterschiedlichen Mengen an Kalzium und maß ihre Reaktionen auf elektrische Stimulation. Sie fand heraus, dass die Zellen umso mehr Flüssigkeit enthielten und sich umso schneller bewegten, je weniger Kalzium sie hatten. „Es ging wirklich schnell – ich war wirklich überrascht“, sagte Shim.

Nachdem die Forscher die Grundregeln der Zelladhäsion identifiziert hatten, entwickelten sie eine Methode zur Lösung des Zelladhäsionsproblems. Shim ließ eine Schicht Hautzellen in einer kalziumreichen Lösung züchten, sodass sie normale Verbindungen bildeten. Anschließend behandelte sie die Zellen mit einer Chemikalie, die Kalziumionen anzieht, um den zellulären Handshake zu unterbrechen. Als Shim den Kalziumspiegel senkte und ein elektrisches Feld anlegte, bewegten sich die Zellen wie angewiesen. Schließlich stellte sie den hohen Kalziumspiegel wieder her, um den Händedruck wiederherzustellen, was zu einer gesunden und zusammenhängenden Schicht von Hautzellen führte.

03: Lass sie Gras fressen

Verbesserte Zellmigrationsaktivität

„Diese elegante und spannende Studie aus dem Cohen-Labor liefert eine intuitive, aber bisher unbekannte Lehre: Kollektiv wandernde Zellen folgen eher Richtungshinweisen, wenn ihr gegenseitiger Zusammenhalt schwach ist“, sagte Alex Mogilner, Professor für Mathematik und Biologie an der New York University. „Dieses Papier ist nicht nur Grundlagenforschung, sondern hat auch tiefgreifende biomedizinische Auswirkungen … Wir fragen nicht nur, wie Zellen dies tun, sondern auch, wie wir Zellen manipulieren und sie dazu bringen können, es besser zu machen.“

Als nächstes planen Shim und Cohen, von ihrem 2D-Modell zu einem 3D-Modell überzugehen. Beispielsweise besteht die menschliche Haut, ähnlich wie ein Kuchen, aus verschiedenen Geweben. Je nachdem, wie diese Techniken bei 3D-Hautmodellen funktionieren, könnten die Ergebnisse Aufschluss darüber geben, ob dieselben Ansätze auch bei echten Wunden funktionieren würden. Viele Gewebe verwenden den Cadherin-Handshake, um Zellen zusammenzuhalten, aber es gibt auch andere Möglichkeiten, wie Gewebe verbunden bleiben.

Diese Arbeit könnte nicht nur dazu beitragen, die Wundheilung zu beschleunigen, sondern auch den Heilungsprozess zu optimieren, um Spannungsgefühle zu vermeiden und Narbenbildung zu reduzieren.

„Wir begannen, Gruppenverhalten mit einem warmen und unkonventionellen Ansatz zu gestalten. So konnten wir erkennen, was die Organisation wollte, und uns darauf ausrichten. Es stellte sich jedoch als zu einfach heraus“, sagte Cohen. „Manchmal wollen Zellen nicht auf uns hören. Und manchmal muss man einfach die Regeln beugen.“

Quellen:

[1] Shim G, Devenport D, Cohen D J. Das Überschreiben der nativen Zellkoordination verbessert die externe Programmierung der kollektiven Zellmigration[J]. Proceedings der National Academy of Sciences, 2021, 118(29).
[2] Zajdel TJ, Shim G, Wang L, et al. SCHEEPDOG: Programmierung elektrischer Signale zur dynamischen Steuerung großflächiger Zellmigration[J]. Zellsysteme, 2020, 10(6): 506-514. e3.
[3] Zajdel TJ, Shim G, Cohen D J. Zusammenkommen: On-Chip-bioelektrischer Wundverschluss[J]. Biosensoren und Bioelektronik, 2021, 192: 113479.

Layout: Original Energy Cell-EAIS

Zusammengestellt von: Original Energy Cell-EAIS

Produzent: Julie von Primal Cell