Migrerande celler måste övervinna fysiska barriärer såsom täta porer i finmaskiga vävnader. En nyligen genomförd studie av ett team av LMU-biofysiker ger en ny teori för att beskriva hur celler manövrerar sådana begränsande miljöer.

I människokroppen, det finns en konstant rörelse av migrerande celler. Immun- och cancerceller är särskilt rörliga, och kan ta sig igenom olika barriärer och tunnmaskig vävnad. Ett samarbete mellan experter inom teoretisk och experimentell biofysik under ledning av Prof. Chase Broedersz och Prof. Joachim Rädler vid LMU München har nu föreslagit ett nytt sätt att studera migration av instängda celler med hjälp av ett datadrivet tillvägagångssätt. Resultaten publiceras online i Naturfysik .

Klämmer fram och tillbaka mellan de två öarna

Nyckeln till deras tillvägagångssätt var att studera en migrerande cell i en konstgjord avgränsande mikromiljö. Denna mikromiljö består av två öar där en cell bekvämt kan sitta, som är förbundna med en smal bro. De är belagda med ett protein som cellen kan fästa vid, medan omgivningen inte är tillgänglig för cellen. Förträngningen utgör ett hinder för den migrerande cellen, som måste tränga sig fram. Med hjälp av time-lapse mikroskopi, forskarna övervakade hur cellerna rör sig:Bröstvävnadsceller stannar inte bara kvar, de pressar sig frenetiskt fram och tillbaka mellan de två öarna. Genom att se hundratals celler migrera på dessa mikromönster, teamet avslöjade dynamiken i hur celler övervinner sådana fysiska hinder.

Avgörande för framgången med denna studie var det nära samarbetet mellan teori och experiment. "Vi såg till att designen av den begränsande miljön där cellerna migrerar är så enkel och kontrollerbar som möjligt, " Joachim Rädler förklarar. "Detta gör att vi kan använda en big-data-strategi."

Filtrera bort fluktuationer

Den teoretiska modell biofysikerna föreslår är en rörelseekvation. Detta liknar till sin anda ekvationerna som beskriver många fysiska system, såsom planeternas rörelse runt solen. Celler är dock mycket mindre och deras rörelse påverkas starkt av inneboende fluktuationer. "Med vår modell, vi kunde reda ut det förutsägbara, deterministiska komponenter från den slumpmässiga delen av rörelsen, svängningarna, " Chase Broedersz förklarar. "Detta tillåter oss att förstå hur celler på ett tillförlitligt sätt kan utföra migreringsuppgifter, trots alla dessa slumpmässiga influenser."

Efter att ha filtrerat bort fluktuationerna i cellens beteende, forskarna upptäckte att bröstcancerceller och friska bröstceller har olika motilitetsbeteende. "Vår datadrivna tillvägagångssätt kombinerat med artificiella mikromönster gör att vi kan avslöja karakteristiska egenskaper hos cellerna, säger David Brückner, studiens första författare. "Den härledda modellen ger därför ett "motilitetsfingeravtryck" som särskiljer olika celltyper."

Chase Broedersz avslutar:"Vårt nya tillvägagångssätt beskriver instängd cellmigrering med hjälp av dynamisk systemteori och visar hur celler anpassar sig till begränsade miljöer. Detta kan också ha tillämpningar för kvantitativ bedömning av cellbeteende i mer komplexa biologiska miljöer."