Biophysik – Zellen in Bewegung

Viele Zellen sind im Körper ständig auf Wanderschaft. LMU-Forscher haben ein mathematisches Modell entwickelt, das erstmals sowohl die Fortbewegung einzelner Zellen als auch ganzer Zellverbünde nachvollziehen kann.

Die aktive Fortbewegung von Zellen ist für viele Lebensprozesse wie Wachstum, Wundheilung und Immunabwehr essenziell. Aber auch bei der Krebsmetastasierung oder bei Entzündungen spielt sie eine Rolle. Ein besseres Verständnis der Zellmigration kann daher wichtige neue Einblicke in diese grundlegenden Prozesse ermöglichen. Wissenschaftler um den LMU-Biophysiker Erwin Frey haben nun ein neues Modell entwickelt, das auf 2D-Oberflächen erstmals Bewegungen sowohl auf mikro- als auch auf makroskopischer Ebene beschreibt und damit neue Einblicke in die kollektive Zelldynamik ermöglicht. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin eLife.

Es gibt zahlreiche Modelle, die entweder die Dynamik einzelner Zellen oder Bewegungen ganzer Gewebe beschreiben. Die Integration beider Ansätze in ein einziges Modell ist allerdings eine große Herausforderung, da ihre Abstraktionsgrade sehr unterschiedlich sind. Nun haben die Wissenschaftler ein Modell entwickelt, das speziell darauf ausgelegt ist, die Lücke zwischen den unterschiedlichen Modellierungsparadigmen zu schließen.

„Im Gegensatz zu typischen makroskopischen Modellierungsansätzen auf Gewebeebene berücksichtigt unser Modell explizit auch die relevanten Eigenschaften einzelner Zellen. Dazu gehören unter anderem die Polarisation und Struktur des Zytoskeletts sowie die Fähigkeit der Zelle, dieses aktiv umzubauen“, sagt Andriy Goychuk, einer der Erstautoren der Publikation. „Trotzdem ist es im Unterschied zu rechenintensiven mikroskopischen Einzellzell-Ansätzen vollständig regelbasiert und damit effizient genug, um Simulationen auf Gewebeebene zu ermöglichen.“

Dieses Modell verwendeten die Wissenschaftler, um sowohl das Migrationsverhalten einzelner Zellen als auch die Entstehung kollektiver Zellmigration zu untersuchen – bis hin fortschreitenden Zellfronten aus mehreren tausend adhärenten Zellen in einem typischen Wundheilungstest. Dabei zeigte das Modell Zusammenhänge zwischen zellulären Parametern und Bewegungsmustern auf, die experimentelle Ergebnisse gut widerspiegelten.

Unter anderem fanden die Forscher, dass die im Zytoskelett wirkenden Kräfte und die Zellkontraktilität eine entscheidende Rolle spielen, und dass es in Geweben zwischen der Ausbreitung von Zellen und mechanischem Druck einerseits und einem zelldichteabhängigen Wachstum andererseits einen Zusammenhang gibt, der zu bestimmten Migrationsmustern führt.

„Unsere Ergebnisse erweitern das Verständnis der kollektiven Zellmigration auf flachen 2D-Oberflächen erheblich“, sagt Frey. „Der neue Ansatz bietet ein hochflexibles Mittel, um das Migrationsverhalten von Zellen in den unterschiedlichsten Kontexten zu untersuchen und stellt ein vielseitiges Werkzeug für die zukünftige Forschung in diesem Bereich dar.“