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Neues Modell zur Zellmigration Vom Einzelgänger bis zur Wandergruppe – Zellen in Bewegung

| Redakteur: Christian Lüttmann

Kaum eine Zelle hält still. Bei der Suche nach optimalen Wachstumsbedingungen begeben sie sich oft auf Wanderschaft – manchmal allein, manchmal in großen Gruppen. Nun haben Forscher ein Modell entwickelt, das die Bewegung der Zellen beschreibt und dabei erstmals den gesamten Bereich von der Einzelzelle bis zum Zellverbund abdeckt.

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Darstellung einer kleinen Zellkohorte auf einer 2D-Oberfläche. Die Farben spiegeln die Stärke des Polarisationsfelds wider.
Darstellung einer kleinen Zellkohorte auf einer 2D-Oberfläche. Die Farben spiegeln die Stärke des Polarisationsfelds wider.
(Bild: Thüroff et. al, eLife 2019)

München – 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 der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) 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.

Allein oder in Gruppe – alles wird abgedeckt

Zwar gibt es bereits zahlreiche Modelle, die entweder die Dynamik einzelner Zellen beschreiben oder Bewegungen ganzer Gewebe. Aber beides gleichzeitig zu simulieren ist schwierig, da die Abstraktionsgrade sehr unterschiedlich sind. Nun haben die Wissenschaftler ein Modell entwickelt, das speziell darauf ausgelegt ist, diesen Übergangsbereich in der Bewegung 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 von der LMU. „Trotzdem ist es im Unterschied zu rechenintensiven mikroskopischen Einzellzell-Ansätzen vollständig regelbasiert und damit effizient genug, um Simulationen auf Gewebeebene zu ermöglichen.“

Modell erlaubt neue Einsichten in Zellbewegung

Dieses Modell verwendeten die Wissenschaftler, um sowohl das Migrationsverhalten einzelner Zellen als auch die Entstehung kollektiver Zellmigration zu untersuchen – bis hin zu 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. Weiterhin zeigten sie, dass es in Geweben einen Zusammenhang gibt zwischen einem zelldichteabhängigen Wachstum einerseits und der Ausbreitung von Zellen sowie mechanischem Druck andererseits. Dieses Wechselspiel führe den Forschern zufolge zu bestimmten Migrationsmustern. „Unsere Ergebnisse erweitern das Verständnis der kollektiven Zellmigration auf flachen 2D-Oberflächen erheblich“, sagt LMU-Biophysiker Prof. Dr. Erwin Frey, der die Studie geleitet hat. „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.“

Originalpublikation: Florian Thüroff, Andriy Goychuk, Matthias Reiter, Erwin Frey: Bridging the gap between single-cell migration and collective dynamics, eLife 2019;8:e46842; DOI: 10.7554/eLife.46842

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