Förra året, forskare från University of Pennsylvania avslöjade överraskande insikter om hur celler reagerar på ytkrökning. Specifikt, de undersökte hur celler reagerar på cylindriska ytor, som är vanliga inom biologin. De fann att celler förändrar de statiska konfigurationerna av deras former och inre strukturer.

"Vi tänker på det som att cellerna gör kalkyler; cellerna känner av och svarar på den underliggande krökningen, säger Kathleen Stebe från Penns School of Engineering and Applied Science.

Nu, forskarna, ledd av Stebe och nyutexaminerade ingenjör Nathan Bade i samarbete med Randall Kamien från School of Arts and Sciences och Richard Assoian från Perelman School of Medicine, har publicerat en uppföljningsstudie som Stebe liknar med "calc III" för celler, undersöka hur celler reagerar på mer komplexa geometrier. Forskningen, som skulle kunna möjliggöra nya verktyg inom biologi och påverka hur läkare behandlar saker som kärlsjukdomar, har publicerats i Biofysisk tidskrift .

Forskarna skapade en annan yta än cylindrar som de refererar till som en "sfär-med-kjol". Som namnet antyder, den övre delen av ytan är sfärisk, men, när man färdas längre ner på ytan på vardera sidan, den bildar en kjol som är sadelliknande till formen. På grund av detta, ytan har två icke-noll-principkrökningar vid varje punkt; den sfäriska delen har vad som kallas positiv Gaussisk krökning medan kjolen har negativ Gaussisk krökning.

"Vi gav detta riktigt intressanta lilla berg till cellerna, " säger Stebe, "och sa, Vad ska du göra med detta släta berg som ger dig dessa olika krökningar? Och det visar sig att dessa celler är riktigt smarta. De ändrar inte bara sina former och inre strukturer, men de rör sig på dramatiskt olika sätt som öppnar nya frågor om hur celler rör sig."

Celler på styva ytor bildar stressfibrer, innefattande aktin- och myosinmotorer. I den tidigare studien, forskarna fann att förvånande, på en cylindrisk yta böjer cellerna faktiskt några av spänningsfibrerna längs riktningen för maximal krökning. Även om en population av stressfibrer placerade ovanför cellens kärna var inriktade längs cylinderaxeln, en annan under kärnan lindad runt cylinderns omkrets. De fann också att genom att manipulera cellernas ctyoskelette, de kunde rekapitulera inriktningsmönstret för cytoskelettet som de såg in vivo.

I detta senaste arbete, forskarna fann att på nytt, populationen av stressfibrer ovanför kärnan förblev så rak som möjligt och sedan under kärnan en andra population lindad i den riktning i vilken de är mest böjda. Precis som i den tidigare forskningen, de två populationerna inriktade längs ytans två huvudsakliga riktningar.

För att undersöka detta, Bade belade sfären-med-kjolen med molekyler för att få den att fästa vid celler och såg sedan hur cellerna betedde sig när de migrerade på ytan. Forskarna använde ett kraftfullt konfokalmikroskop som gav tredimensionell information om systemen.

Forskarna kunde behandla stressfibrerna, en komponent av 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, precis som i den tidigare studien, en befolkning hittade ett sätt att hålla sig så rak som möjligt och den andra hittade ett sätt att böja sig så mycket som möjligt.

"De apikala stressfibrerna som ville förbli så raka som möjligt hittade ett sätt att förbli raka genom att bilda broliknande ackord över det konkava gapet, "Bade säger, "De basala stressfibrerna lindades runt funktionen och var mycket böjda."

Forskarna studerade sedan orienteringen av de två stressfiberpopulationerna som en funktion av ytkrökningen. De upptäckte att celler som upplever den svagt krökta delen av ytan inte hade någon föredragen orientering för sina apikala stressfibrer, men de som stod inför den mer utmanande krökningen orienterade mycket starkt sina apikala stressfibrer, pekar mot mitten av inslaget. Detta öppnade frågan om vilken typ av inverkan detta har på viktiga cellbeteenden.

"Celler ser dessa typer av gränser och ytor i våra kroppar, " säger Bade. "Körtlar och kärl har de typer av krökningsfält som vi har fångat i sfär-med-kjolytan. Vissa typer av tumörer har också dessa komplexa krökningar. Krökning finns överallt. Vi är inte gjorda av flygplan."

Enligt Bade, denna forskning visar att dessa geometriska ledtrådar har djupgående effekter på organiseringen av cytoskelettet, vilket är viktigt för cellbeteenden som migration, hur celler rör sig i vår kropp.

"Vi ville ta reda på hur sfär-med-kjol-geometrin skulle påverka cellmigration om den alls gjorde det, " säger Bade. "Vi såg att cellerna skulle vandra uppför kjolen, men, så fort de hittade den sfäriska hatten, de slutade faktiskt migrera i radiell riktning. Cellerna utforskar denna mössa, men de vägrar att migrera till den. Detta är i själva verket ett område med krökningsrepulsion till cellen. Cellerna ändrar faktiskt sin polarisering; du kan se dem vända sig nästan 90 grader och börja migrera runt funktionen."

Bade och Stebe tror att krökning faktiskt kan förändra förhållandet mellan riktningen i vilken stressfibrer är orienterade och migrationsriktningen. Detta tyder på att de apikala stressfibrerna, som vanligtvis leder till migration, minskad betydelse, och basalbefolkningen tar över.

"På flygplan, de apikala stressfibrerna är alltid ansvariga för körningen, " säger Stebe, "men helt plötsligt tar de basala stressfibrerna tag i ratten. Detta lämnar många öppna frågor. Det är ett av dessa riktigt spännande arbeten eftersom resultaten är så tydligt uppenbara i data, men mekanismerna är inte triviala alls. Det är verkligen spännande att ställa en till synes naiv fråga kan dra dig in i ett utrymme med stora öppna frågor och att tydligheten i data, betydelsen av resultaten, Sättet som cellen absolut lydde dessa signaler var hisnande för mig."

Enligt Bade, Att förstå vävnadsstyvhet och dess roll i att förändra cellbeteenden har haft dramatiska konsekvenser för sjukvården och hur forskare närmar sig sjukdomar som cancer. Detta nya arbete antyder att krökningsfält som är synliga för ögat också är en viktig signal. Att ha det i åtanke när man tittar på sjukdomstillstånd, Bade säger, kan påverka hur människor förstår saker som kärlsjukdomar.

Stebe säger att frågorna som denna forskning öppnar kan bana väg för nya verktyg inom biologin.

"Inom vetenskap och teknik, när vi vet att vi kan organisera något, vi kan hitta ett sätt att använda det, " säger hon. "Så till exempel här, det finns intressanta frågor om hur kärnan interagerar med de omgivande enheterna i en cell. Och nu har vi två bra sätt att begränsa kärnan - under stressfibrer på cylindrar, som klämmer ihop kärnan, och under ackorden som omsluter kärnan utan att komprimera den. Dessa resultat är intressanta för andra forskare, som kan hjälpa oss att nå längre in i biologin för att fråga om konsekvenserna av dessa effekter i genuttryck och cellöde."