Inspirerad av hur geometrin påverkar fysiska system som mjuk materia, forskare vid University of Pennsylvania har avslöjat överraskande insikter om hur molekylernas fysik i en cell påverkar hur cellen beter sig.

"Celler har ett skelett precis som vi har ett skelett, sa Nathan Bade, en doktorand vid Institutionen för kemi- och biomolekylär teknik vid Institutionen för teknik och tillämpad vetenskap, "och, precis som vårt skelett, den är stel. Vi ville förstå hur det styva skelettet skulle reagera på geometri."

Forskarna fokuserade på vaskulära glatta muskelceller, som är de typer av celler som utgör en stor del av stora blodkärl hos däggdjur. Enligt Bade, forskare kan förvänta sig att cellen försöker undvika att böjas. Dock, forskarna fann att på en cylindrisk yta bildar cellerna faktiskt mycket böjda skelett. De fann också att genom att manipulera cellernas skelett, de kunde rekapitulera inriktningsmönstret för skelettet som de såg in vivo.

"Det mest spännande vi hittade är att geometri verkligen spelar roll när det kommer till cellbeteenden, ", sa Bade. "Jag tror att det är något som har förbisetts något jämfört med styvhet och andra viktiga miljöfaktorer."

Forskningen leddes av Bade, arbetar under ledning av Kathleen Stebe, Richer &Elizabeth Goodwin professor vid institutionen för kemisk och biomolekylär teknik och biträdande dekan för forskning och innovation; Randall Kamien, Vicki och William Abrams professor i naturvetenskap vid institutionen för fysik och astronomi vid School of Arts and Sciences; och Richard K. Assoian, professor i farmakologi vid Penns Perelman School of Medicine. Deras tidning publicerades i Vetenskapens framsteg .

"Vi vet redan att däggdjursceller interagerar med gränser, " sa Stebe. "Till exempel, om celler odlas på ytor med olika styvhet, de organiserar sig annorlunda. Det fick oss att bli intresserade av denna fråga om geometri:Kan en cell se formen på dess gräns? Och vi fokuserade vårt första arbete på cylindriska strukturer eftersom de är så vanliga inom biologi."

För att undersöka detta, Bade belagda cylindrar med molekyler som får dem att fästa vid celler och sedan tittade och samlade information om hur cellerna betedde sig när de växte på en krökt gräns. Forskarna använde ett kraftfullt konfokalmikroskop som försåg dem med tredimensionell information om systemen.

Forskarna kunde behandla stressfibrerna, det aktiva cytoskelettet i cellerna, så att de skulle fluorescera. Att använda en laser för att samla in ljus från mycket små delar av ett prov, det konfokala mikroskopet eliminerade allt ljus som inte var i fokus. Detta producerade en högupplöst bild från ett smalt plan som gjorde det möjligt för forskarna att se att populationen av stressfibrer som satt ovanpå cellen var inriktad annorlunda än en annan population under.

De fann att cylinderns storlek påverkade cellens svar:Ju större cylindern, vilket resulterar i en mer plan geometri, desto mindre är stressfibrerna i linje. Eftersom mindre cylindrar har större krökning, stressfibrerna riktade sig starkare runt dem.

"En population av stressfibrer ligger i linje längs axeln, och den andra lindar runt cylindern, " sa Stebe. "Det finns ett mycket distinkt mönster; det är inte subtilt. Så då frågade vi varför det här hände."

Genom att använda ett läkemedel speciellt utformat för att aktivera Rho i celler och göra stressfibrerna tjockare och potentiellt styvare, forskarna försökte se om denna ökning av styvhet skulle avskräcka stressfibrerna från att lindas runt cylindern. Men, till deras förvåning, forskarna fann att denna behandling helt eliminerade fibrerna i linje längs axeln och förtjockade de inlindade fibrerna.

"Omorganisationen är mycket slående, " sade Stebe. "Vi tänker på det som cellerna som gör kalkyl; cellerna känner av och svarar på den underliggande krökningen. Tydligen, krökning är en signal som spelar en mycket stark roll både i organisationen av själva cellen och av mikrostrukturen i cellen. Dessa stressfiberpopulationer kan manipuleras med hjälp av läkemedel som ändrar stelheten, bland annat. Och, efter dessa manipulationer, stressfibrerna bibehåller mycket starka linjer. Detta är inte det vanliga argumentet för mönsterbildning inom biologi."

För att följa upp dessa resultat, teamet genomför ytterligare undersökningar av krökningssignaler och mer komplexa geometrier och gränser.

"Resultaten från detta dokument är verkligen intressanta, "Bade sa, "men det lämnade massor av öppna frågor för oss. En av dem är verkligen att förstå de mekanistiska detaljerna. Vad exakt som händer med cellen som gör att en population blir väldigt böjd och den andra att vara väldigt rak är fortfarande ett mysterium för att oss. Dessutom, vi håller nu på att göra mer komplexa krökta ytor för att se hur cellerna reagerar när de står inför ett mycket mer utmanande krökningsfält."

Enligt Bade, denna forskning har gett ett grundläggande fynd som belyser hur celler interagerar med sin miljö, vilket är avgörande för att förstå vad celler gör i mänskliga kroppar.

"Det har varit banbrytande arbete vid University of Pennsylvania för att förstå hur celler känner av stelhet, "Bade sa, "vilket är en miljöstimulans som inte är en löslig kemisk signal. Och det visar sig vara mycket viktigt vid cancer och alla möjliga sjukdomstillstånd. Jag tror att det är viktigt att förstå hur celler känner av och reagerar på geometri."

Forskarna har också visat att på den mest grundläggande nivån, de kan mönstra cellens inre struktur. Mönstren i dessa strukturer har viktiga implikationer i nedströms cellbeteenden som migration och spridning. Dessa cellers förmåga att dela sig och migrera snabbt kan påverkas av geometri och krökning.

"Från förmågan att organisera kommer förmågan att förhöra, " Sa Assoian. "Detta kan vara ett trevligt verktyg som tillåter oss att organisera cellen och dess understruktur för andra förhör. Det är också en intressant fråga, om du bygger upp strukturer från celler, ger denna organisation av cellen och dess understrukturer något nytt svar i annars identiska celler? Det skulle vara mycket intressant att samarbeta med människor som funderar på hur man kan utnyttja celler i sårläkning, eller cellgränsinteraktioner för implantat.

"Förutom den nya insikten i de grundläggande principer som celler använder för att tolka ytgeometrier, denna forskning kan vara långtgående för att förstå hur glatta muskelceller och deras cytoskelett bidrar till blodkärlsbildning under utveckling och kanske till och med hur de omformar sina kärl vid kärlsjukdom. Och eftersom vi finner att detta svar på geometri inte är begränsat till glatta muskelceller, geometriavkänning kan bli en ny gräns inom ett brett spektrum av biologiska ämnen."

Stebe sa, "Det är det roliga med vetenskap och ingenjörskonst:ett litet nytt verktyg kan röra allt annat. Och detta fynd är en dramatisk omorganisation. Så vad rör det mer?"