Zellkolonien unter Druck – wie Wachstum Bewegung verhindern kann

Die Wechselwirkung zwischen Wachstum und aktiver Bewegung von Zellen spielt eine entscheidende Rolle für die räumliche Durchmischung von wachsenden Zellverbänden. Diesen Zusammenhang entdeckten Wissenschaftler der Abteilung Physik lebender Materie am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation (MPI-DS). Ihre Ergebnisse liefern neue Ansätze zum Verständnis der Dynamik von Bakterienkolonien oder auch Tumoren.

Die Möglichkeit zur eigenständigen Fortbewegung ist eine grundlegende Eigenschaft von lebender Materie wie beispielsweise Zellen. Wissenschaftler des MPI-DS haben untersucht, wie diese Bewegung mit dem Wachstum der gesamten Kolonie wechselwirkt, welches sich in den verschiedensten Zellverbänden beobachten lässt. Solches Wachstum wird dadurch verursacht, dass Zellen in Geweben, Bakterienkolonien, Zellkulturen im Labor oder auch in Tumoren sich kontinuierlich teilen und immer mehr Raum einnehmen.

Dieses Szenario stellten die Forschenden in einem minimalen Computermodell einer wachsenden dreidimensionalen Zellkolonie nach und gaben den Zellen zusätzlich die Fähigkeit, sich mit einer gewissen Kraft fortzubewegen, sogenannte Motilität. In ihren Simulationen stellten sie fest, dass vermehrte Zellteilung und somit schnelleres Wachstum zu einer eingeschränkten Bewegung der Zellen führen kann und sich die Kolonie dadurch weniger durchmischt. Dann ist kaum Migration einzelner Zellen sichtbar, auch wenn diese das Potential dazu besitzen.

„Das Überraschende war, dass es eine relativ scharfe Schwelle der Motilität gibt, bis zu der das Wachstum eines Zellhaufens die Bewegung der Zellen fast vollständig hemmt“, sagt Torben Sunkel, Erstautor der Studie. Erst wenn ein bestimmtes Verhältnis von Fortbewegungskraft und Wachstumsrate überschritten wird, beginnen die Zellen, sich durch das Gewebe zu bewegen. In der Biologie ist bekannt, dass Zellen durch biochemische Signale oder andere Mechanismen ihre Motilität an- oder ausschalten können. „Aber in unserem Modell ergibt sich der Übergang ganz von selbst aus den mechanischen Wechselwirkungen – ein Paradebeispiel für kollektives Verhalten, das durch das Zusammenspiel vieler Einzelteile entsteht”, unterstreicht Philip Bittihn, Seniorautor der Studie und Gruppenleiter in der Abteilung Physik lebender Materie am MPI-DS. Wie die Forschenden herausfanden, liegen die Gründe dafür zum einen in dem durch Zellteilung hervorgerufenen Platzmangel im Inneren des Zellhaufens, der Bewegung direkt durch mechanische Kontakte verhindert. Zum anderen sorgt eine schnelle räumlichen Ausdehnung der Kolonie für weitere Wege, die Zellen zurücklegen müssen, was ihre Bewegung ineffektiver macht.

Wie sich Zellkolonien organisieren und strukturieren können, ist in vielen Bereichen wichtig. Die Studie liefert daher möglicherweise auch neue Ansatzpunkte für experimentelle und medizinische Forschung – beispielsweise für Bakterienkolonien, Wundheilungsprozesse, das Züchten von Geweben oder in der Krebsbiologie.