Forskare vid University of Toronto, Johns Hopkins University och Vanderbilt University har upptäckt att vissa celler rör sig förvånansvärt snabbare i tjockare vätska - tänk honung i motsats till vatten, eller slem i motsats till blod - eftersom deras rufsiga kanter känner av viskositeten i omgivningen och anpassa sig för att öka sin hastighet.

Deras kombinerade resultat i cancer- och fibroblastceller - den typ som ofta skapar ärr i vävnader - tyder på att viskositeten i en cells omgivande miljö är en viktig bidragande orsak till sjukdomen och kan hjälpa till att förklara tumörprogression, ärrbildning i slemfyllda lungor som påverkas av cystisk fibros och sårläkningsprocessen.

Studien, "Membrane ruffling is a mechanosensor of extracellular fluid viscosity", publicerad idag i Nature Physics , kastar nytt ljus över cellmiljöer, ett underutforskat forskningsområde.

"Denna koppling mellan cellviskositet och vidhäftning har aldrig visats tidigare", säger Sergey Plotnikov, biträdande professor vid institutionen för cell- och systembiologi vid fakulteten för konst och naturvetenskap vid University of Toronto och en motsvarande författare till studien . "Vi upptäckte att ju tjockare den omgivande miljön är, desto starkare fäster cellerna vid underlaget och desto snabbare rör sig de – ungefär som att gå på en isig yta med skor som har spikar, jämfört med skor utan grepp alls."

Att förstå varför celler beter sig på detta överraskande sätt är viktigt eftersom cancertumörer skapar en trögflytande miljö, vilket innebär att spridande celler kan flytta in i tumörer snabbare än icke-cancerösa vävnader. Eftersom forskarna observerade att cancerceller accelererar i en förtjockad miljö, drog de slutsatsen att utvecklingen av rufsiga kanter i cancerceller kan bidra till att cancer sprids till andra delar av kroppen.

Att rikta in sig på spridningssvaret i fibroblaster kan å andra sidan minska vävnadsskador i de slemfyllda lungorna som påverkas av cystisk fibros. Eftersom rufsiga fibroblaster rör sig snabbt är de den första typen av celler som rör sig genom slemmet till såret, vilket bidrar till ärrbildning snarare än läkning. Dessa resultat kan också antyda att man kan kontrollera cellens rörelse genom att ändra viskositeten hos lungans slem.

"Genom att visa hur celler reagerar på vad som finns runt dem, och genom att beskriva de fysiska egenskaperna hos detta område, kan vi lära oss vad som påverkar deras beteende och så småningom hur vi kan påverka det", säger Ernest Iu, Ph.D. student vid institutionen för cell- och systembiologi vid fakulteten för konst och naturvetenskap vid University of Toronto och studiemedförfattare.

Plotnikov tillägger:"Om du till exempel lägger en vätska så tjock som honung i ett sår, kommer cellerna att röra sig djupare och snabbare in i det och därigenom läka det mer effektivt."

Plotnikov och Iu använde avancerade mikroskopitekniker för att mäta dragkraften som celler utövar för att röra sig, och förändringar i strukturella molekyler inuti cellerna. De jämförde cancer- och fibroblastceller, som har rufsiga kanter, med celler med släta kanter. De fastställde att rufsade cellkanter känner av den förtjockade miljön, vilket utlöser ett svar som gör att cellen kan dra igenom motståndet – volangerna plattar ut, breder ut sig och låser sig på den omgivande ytan.

Experimentet har sitt ursprung i Johns Hopkins, där Yun Chen, biträdande professor vid institutionen för maskinteknik och huvudförfattare till studien, och Matthew Pittman, Ph.D. student och första författare, undersökte först cancercellers rörelse. Pittman skapade en trögflytande, slemliknande polymerlösning, deponerade den på olika celltyper och såg att cancerceller rörde sig snabbare än icke-cancerceller när de vandrade genom den tjocka vätskan. För att ytterligare undersöka detta beteende, samarbetade Chen med U från T:s Plotnikov, som är specialiserad på push and pull av cellrörelser.

Plotnikov var förvånad över förändringen i hastighet som gick in i tjock, slemliknande vätska. "Vanligtvis tittar vi på långsamma, subtila förändringar under mikroskopet, men vi kunde se cellerna röra sig dubbelt så snabbt i realtid och sprida sig till dubbelt så mycket originalstorlek", säger han.

Vanligtvis beror cellrörelser på myosinproteiner, som hjälper musklerna att dra ihop sig. Plotnikov och Iu resonerade att ett stoppande av myosin skulle förhindra celler från att spridas, men blev förvånade när bevis visade att cellerna fortfarande accelererade trots denna åtgärd. De fann istället att kolumner av aktinproteinet inuti cellen, som bidrar till muskelkontraktion, blev mer stabila som svar på den tjocka vätskan, vilket ytterligare pressade ut kanten av cellen.

Teamen undersöker nu hur man kan bromsa rörelsen av rufsade celler genom förtjockade miljöer, vilket kan öppna dörren till nya behandlingar för personer som drabbats av cancer och cystisk fibros. + Utforska vidare

Celler rör sig genom att kontrollera styvheten hos sina grannar