Eine physikalische Perspektive zur Wundheilung

Fluoreszenzmikroskopische Aufnahme einer proliferierenden Zellfront, deren Rand grün markiert ist. Die Rattenepithelzellen bilden mit Zytoplasma (blau) und Kernen (rot) eine zweidimensionale Kultur, die zur Modellierung der Wundheilung verwendet werden kann. Bildnachweis: © Guillaume Rapin, UNIGE

Durch die Fokussierung auf die makroskopischen Eigenschaften großer Datensätze ermöglicht die statistische Physik, einen Überblick über das Systemverhalten unabhängig von seinem spezifischen mikroskopischen Charakter zu erhalten. Dieser Ansatz wird auf biologische Elemente wie die an eine Wunde angrenzenden Zellfronten angewendet und ermöglicht es, die verschiedenen Wechselwirkungen zu identifizieren, die beim Wachstum, der Differenzierung und der Heilung des Gewebes eine entscheidende Rolle spielen, vor allem aber ihre Hierarchie auf den verschiedenen beobachteten Skalen hervorzuheben . Patrycja Paruch, Professorin am Institut für Quantenmateriephysik der UNIGE-Fakultät für Naturwissenschaften, erklärt: “Für die Invasion von Krebstumoren oder im Falle einer Wunde ist die Proliferation der Zellfront entscheidend, aber die Geschwindigkeit und Morphologie der Front ist hoch Wir glauben jedoch, dass nur wenige dominante Wechselwirkungen während dieses Prozesses die Dynamik und die Form – zum Beispiel glatt oder rau – des Randes der Zellkolonie definieren. Experimentelle Beobachtungen über mehrere Längenskalen hinweg, um allgemeine Verhaltensweisen zu extrahieren, können es uns ermöglichen, diese zu identifizieren diese Wechselwirkungen in gesundem Gewebe und diagnostizieren, auf welcher Ebene pathologische Veränderungen auftreten können, um sie zu bekämpfen. Hier kommt die statistische Physik ins Spiel. “

Die vielen Skalen der Wundheilung

In dieser multidisziplinären Studie arbeiteten die UNIGE-Physiker mit dem Team von Professor Steven Brown von der UZH zusammen. Unter Verwendung von Rattenepithelzellen etablierten sie flache Kolonien (2D), in denen die Zellen um einen Silikoneinsatz wachsen und anschließend entfernt werden, um eine offene Läsion nachzuahmen. Die Zellfronten vermehren sich dann, um die Öffnung zu füllen und das Gewebe zu heilen. “Wir haben fünf mögliche Szenarien reproduziert, indem wir die Zellen auf unterschiedliche Weise ‘behindert’ haben, um zu sehen, welche Auswirkungen dies auf die Wundheilung hat, dh auf die Geschwindigkeit und Rauheit der Zellfront”, erklärt Guillaume Rapin, ein Forscher im Team von Patrycja Paruch . Die Idee ist zu sehen, was in normalem gesundem Gewebe passiert oder wann Prozesse wie Zellteilung und Kommunikation zwischen benachbarten Zellen gehemmt werden, wenn die Zellmobilität verringert wird oder wenn Zellen permanent pharmakologisch stimuliert werden. “Wir haben ungefähr 80 Stunden lang alle vier Stunden 300 Bilder aufgenommen, wodurch wir die proliferierenden Zellfronten in sehr unterschiedlichen Maßstäben beobachten konnten”, fährt Guillaume Rapin fort. “Durch die Anwendung von Hochleistungsberechnungstechniken konnten wir unsere experimentellen Beobachtungen mit den Ergebnissen numerischer Simulationen vergleichen”, fügt Nirvana Caballero hinzu, eine weitere Forscherin im Team von Patrycja Paruch.

Verkleinern für größere Wirkung

Die Wissenschaftler beobachteten zwei unterschiedliche Rauheitsregime: bei weniger als 15 Mikrometern, unterhalb der Größe einer einzelnen Zelle und zwischen 80 und 200 Mikrometer, wenn mehrere Zellen beteiligt sind. “Wir haben analysiert, wie sich der Rauheitsexponent im Laufe der Zeit entwickelt, um sein natürliches dynamisches Gleichgewicht zu erreichen, abhängig von den pharmakochemischen Bedingungen, die wir den Zellen auferlegt haben, und wie diese Rauheit in Abhängigkeit von der Skala, auf die wir schauen, zunimmt”, betont Nirvana Caballero. “In einem System mit einer einzigen dominanten Wechselwirkung erwarten wir auf allen Skalen den gleichen Rauheitsexponenten. Hier sehen wir eine sich ändernde Rauheit, wenn wir die Skala einer Zelle oder von 10 Zellen betrachten.”

Die Teams in Genf und Zürich zeigten nur geringfügige Abweichungen im Rauheitsexponenten unter 15 Mikrometern, unabhängig von den Bedingungen, die den Zellfronten auferlegt wurden. Andererseits stellten sie fest, dass zwischen 80 und 150 Mikrometer die Rauheit durch alle pharmakologischen Inhibitoren verändert wird, wodurch der Rauheitsexponent signifikant verringert wird. Darüber hinaus beobachteten sie, dass die Proliferationsgeschwindigkeit zwischen den verschiedenen pharmakochemischen Bedingungen stark variierte, sich verlangsamte, wenn Zellteilung und Motilität gehemmt wurden, und sich beschleunigte, wenn Zellen stimuliert wurden. “Überraschenderweise wurde die schnellste Proliferationsgeschwindigkeit erreicht, als die Gap-Junction-Kommunikation zwischen Zellen blockiert wurde”, sagt Guillaume Rapin. Diese Beobachtung legt nahe, dass eine solche Kommunikation in zukünftigen Therapien gezielt eingesetzt werden kann, um entweder die Heilung von Verbrennungen oder Wunden zu fördern oder die Invasion von Krebstumoren zu verlangsamen.

Diese Ergebnisse zeigen, dass mittelgroße Wechselwirkungen eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der gesunden Proliferation einer Zellfront spielen. “Wir wissen jetzt, in welchem ​​Maßstab Biologen nach problematischem Verhalten von Zellfronten suchen sollten, das zur Entwicklung von Tumoren führen kann”, sagt Nirvana Caballero. Jetzt können sich die Wissenschaftler auf diese Schlüssellängen konzentrieren, um die Fronten von Tumorzellen zu untersuchen und ihre pathologischen Wechselwirkungen direkt mit denen gesunder Zellen zu vergleichen.

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