Biophysik

Wie Zellen den Engpass überwinden

Bei ihrer Wanderung durch den Körper zwängen sich Krebs- und Immunzellen durch kleinste Lücken in engmaschigem Gewebe. Biophysiker zeigen jetzt in einem Modell, wie sich Zellen in solchen Fällen verhalten.

Im menschlichen Körper ist ständig ein Teil der Zellen auf Wanderschaft. Besonders mobil sind Immun- und Krebszellen, die auf ihren Wegen zahlreiche Hindernisse wie beispielsweise dichtes Gewebe passieren. Unter der Leitung von Professor Chase Broedersz und Professor Joachim Rädler haben LMU-Experten für Theoretische und Experimentelle Biophysik ein datenbasiertes Modell entwickelt, um die Wanderung von Zellen in räumlich begrenzten Umgebungen zu untersuchen (LMU: Ludwig-Maximilians-Universität München). Die Ergebnisse wurden jetzt online im Fachmagazin Nature Physics veröffentlicht.

Pendeln zwischen den Inseln
Ihre Idee war es, eine bewegliche Zelle in einer künstlichen, räumlich begrenzten Umgebung im Mikrometer-Maßstab zu beobachten. Der Versuchsaufbau besteht aus zwei Inseln, jeweils etwas größer als eine Zelle und verbunden mit einer schmalen Brücke. Sie sind mit einem Protein überzogen, an das die Zelle adhärieren und sich so darauf bewegen kann, während ihr dies in der Umgebung nicht möglich ist. Durch die Engstelle der Brücke zwängt sich die Zelle aus eigenem Antrieb, um zur anderen Insel zu gelangen. Mit einem Zeitraffer-Mikroskop verfolgten die Wissenschaftler die Bewegung: Dabei entdeckten sie, dass Brustkrebszellen pausenlos zwischen den Inseln hin- und herpendeln.

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Durch die Beobachtung hunderter Zellen konnten die Biophysiker Rückschlüsse auf die Dynamik ziehen, mit der Zellen solche physikalischen Barrieren überwinden. Entscheidend für den Erfolg der Studie, so sagt Joachim Rädler, war die enge Zusammenarbeit zwischen Theorie und Praxis. „Wir haben darauf geachtet, den Versuchsaufbau so einfach und kontrollierbar wie möglich zu gestalten. Das ermöglicht es uns, mit einem „Big Data“-Ansatz zu arbeiten.“

Fluktuationen herausrechnen
Hinter dem theoretischen Modell der Biophysiker steht eine Bewegungsgleichung, mit der sich viele physikalische Systeme beschreiben lassen wie beispielsweise das Kreisen der Planeten um die Sonne. Zellen sind jedoch viel kleiner und ihre Bewegungen werden stärker durch intrinsische Fluktuationen beeinflusst. „Mit unserem Modell ist es uns gelungen, den deterministischen und den unvorhersehbaren Teil der Bewegung, die Fluktuationen, getrennt zu berechnen.“, erklärt Chase Broedersz. „Nur so können wir verstehen, wie Zellen trotz der zufälligen Fluktuationen Bewegungen verlässlich ausführen können.“

Jeder Zelltyp bewegt sich anders
Nachdem die Wissenschaftler die Fluktuationen herausgefiltert hatten, entdeckten sie, dass Brustkrebszellen und gesunde Brustzellen unterschiedliche Bewegungsmuster aufweisen. „Die Kombination des speziellen Versuchsaufbaus mit dem datenbasierten Ansatz bringt die charakteristischen Eigenschaften der Zelle zum Vorschein“, sagt David Brückner, Erstautor der Studie. „Damit lässt sich eine Art „Bewegungs-Fingerabdruck“ erstellen, mit dem man verschiedene Zelltypen unterscheiden kann.“

Chase Broedersz fasst die Ergebnisse zusammen: „Unser Ansatz beschreibt Zellbewegung in begrenzten Systemen mit Hilfe dynamischer Systemtheorie und zeigt, wie die Zellen sich an ihre Umgebung anpassen. Potenzielle Anwendungen liegen in der quantitativen Beurteilung von Zellverhalten auch in komplexeren biologischen Umgebungen.“

Publikation:
David B. Brückner, Alexandra Fink, Christoph Schreiber, Peter J. F. Röttgermann, Joachim O. Rädler, Chase P. Broedersz: Stochastic nonlinear dynamics of confined cell migration in two-state systems; Nature Physics (2019)

Quelle: LMU München

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