Inuti din kropp, cellrörelser spelar en avgörande roll i många viktiga biologiska processer, inklusive sårläkning, immunsvar och potentiell spridning av cancer.

"De flesta människor dör inte av att ha en primär tumör, " sa Kolade Adebowale, en doktorand i kemiteknik, och en medlem av Chemical Biology Interface (CBI) forskarutbildning i kemi, Engineering &Medicine for Human Health (ChEM-H) vid Stanford University. "Problemet är när cancerceller från tumören förvärvar förmågan att metastasera eller flytta till olika delar av kroppen."

Som ett försök att främja studier av cellmigration, Adebowale och kollegor i Ovijit Chaudhuris labb, docent i maskinteknik vid Stanford, har arbetat med att utveckla och testa nya typer av material som nära imiterar den verkliga vävnaden som omger celler. Nya rön som bygger på detta arbete, publicerad 19 april in Naturmaterial , höja "läroboken" synen på cellmigrering och ge bättre insikt om inverkan av ett material elastiska och viskösa egenskaper på celler.

"Vi fann att det gör stor skillnad om cancercellerna är på en mycket styv plast eller om de är på ett mjukt och viskoelastiskt material, som en Jell-O, sa Adebowale, som är huvudförfattare till tidningen. "Detta lägger till många nya bevis för att cancerns beteende inte bara handlar om cancercellerna - det handlar också om miljön som cancercellerna interagerar med."

Som dumt kitt

Cellmigrering studeras traditionellt på ett hårt, transparent bit av polymer som kallas "vävnadskulturplast" eller elastiska hydrogeler, som mjuka kontaktlinser. Baserat på dessa studier, den nuvarande uppfattningen är att celler inte kan migrera på hydrogeler som är för mjuka. Dock, forskarna strävar efter att efterlikna de verkliga biologiska vävnaderna som celler migrerar på - som är mjuka och inte rent elastiska, som ett gummiband, men viskoelastisk.

"De är solida material, men de har också viskösa och flytande egenskaper som gör att de kan flöda över längre tidsskalor, " sa Adebowale.

Exempel på viskoelastiska material som de som skapats för forskningen inkluderar bröddeg, mozzarella och fånigt spackel, enligt Chaudhuri. Dessa material motstår initialt deformation, som ett elastiskt material, men slappna av det motståndet visköst över tiden.

När forskarna studerade cancercellers rörelse på deras mer vävnadsliknande substrat, resultaten stred mot befintliga förväntningar.

"Vi fann att när substratet är viskoelastiskt, cellerna kan migrera ganska robust, även om den är mjuk, sade Chaudhuri, som är senior författare av tidningen.

Studien fann inte bara att celler kan migrera på mjuka, viskoelastiska substrat, forskarna upptäckte också att migrationsrörelsen är unik. På en styv, 2D-yta som vävnadsodlingsplast, celler fäster vid ytan och bildar ett solfjäderliknande utsprång. Detta utsprång, kallas ett lamellipodium, driver framåt rörelse genom att förlänga framkanten framåt och trycka av ytan. På de viskoelastiska materialen som teamet skapade, cellerna spreds inte ut så mycket. Istället, de använde tunna, spikliknande utsprång som kallas filopodia för att driva deras rörelse. Ytterligare, deras experiment visade att cellerna använder vad som kallas en "molekylär koppling" för att migrera på substraten.

"Föreställ dig att du rör dig på is. Om du inte har tillräckligt med vidhäftning till isen, och försök springa, du kommer inte gå någonstans, " sa Chaudhuri. "Du behöver verkligen ett starkt grepp för att trycka av och gå framåt. Det är vad den molekylära kopplingen gör för celler."

Robust migrerande celler på stel vävnadsodlingsplast bildar starka vidhäftningar till substratet. Författarna observerade att celler på mjuka, viskoelastiska substrat kan också migrera robust men, viktigt, dessa celler kan göra det med färre, svaga vidhäftningar - som att cellerna rör sig på sina spetsar, inte hela foten.

"Jag tror att det som var mest överraskande var att den materiella egenskapen - viskoelasticitet - kan ha en så dramatisk inverkan på cellers förmåga att migrera, sa Adebowale.

Viskoelasticitet och cellodling

Det faktum att cellmigrationssättet som forskarna observerade inte ses på hårda substrat eller substrat som bara är elastiska visar hur viskoelasticitet är avgörande för cellers beteende - och därför viktigt att replikera i framtida studier.

"Detta utmanar lärobokens syn på hur vi förstår cellmigrering, " sade Chaudhuri. "Celler migrerar annorlunda på viskoelastisk vävnad än de gör på glas, petriskålar av plast eller elastiska geler. Så, om vi vill studera cellmigration, vi måste använda viskoelastiska substrat."

Medan studien tittade på encellsmigrering, cancerceller migrerar som en grupp i kroppen och olika utvecklingsstadier involverar kollektiv förflyttning av celler. Nästa, forskarna hoppas kunna svara på frågan om hur viskoelasticitet påverkar kollektiv cellmigration.