Wie Zellen sich durch Lücken schlängeln
Wanderung von Zellen in räumlich begrenzten Umgebungen experimentell und theoretisch bestimmt.
Im menschlichen Körper ist ständig ein Teil der Zellen auf Wanderschaft. Besonders mobil sind Immun- und Krebszellen, die auf ihren Wegen zahlreiche Hindernisse wie dichtes Gewebe passieren. Unter der Leitung von Chase Broedersz und Joachim Rädler haben Forscher für theoretische und experimentelle Biophysik an der Ludwig-
Ihre Idee war es, eine bewegliche Zelle in einer künstlichen, räumlich begrenzten Umgebung im Mikrometer-
Mit einem Zeitraffer-Mikroskop verfolgten die Wissenschaftler die Bewegung: Dabei entdeckten sie, dass Brustkrebszellen pausenlos zwischen den Inseln hin- und herpendeln. 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-
Hinter dem theoretischen Modell der Biophysiker steht eine Bewegungsgleichung, mit der sich viele physikalische Systeme beschreiben lassen wie etwa 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.“
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-
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. Potentielle Anwendungen liegen in der quantitativen Beurteilung von Zellverhalten auch in komplexeren biologischen Umgebungen.“ LMU / DE
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