Cellen ‘wandelen’ naar stevige ondergrond
Een nieuw wiskundig model verklaart mogelijk hoe lichaamscellen hun vormen krijgen en waardoor ze in een weefsel bewegen. Dit levert fundamentele kennis op voor onder andere toepassingen in weefsel-engineering. Publicatie in open access tijdschrift iScience.
Lichaamscellen kunnen verschillende vormen aannemen en bewegen binnen een weefsel. Wiskundige modellen gaven tot nu toe afzonderlijke verklaringen over een bepaalde vorm of beweging van een cel. Roeland Merks, hoogleraar Mathematische biologie bij het Instituut Biologie Leiden (IBL) en het Mathematische Instituut (MI) en zijn oud-promovendus Lisanne Rens van het Centrum Wiskunde & Informatica (CWI) ontwikkelden een wiskundig model dat verschillende fenomenen kan verklaren van de mechanische interactie tussen cellen en hun omgeving. Hoe cellen zich gedragen in een weefsel, is bijvoorbeeld belangrijk bij het kweken van weefsel (tissue engineering). De mechanische interactie tussen cellen en hun omgeving lijkt ook een rol te spelen bij ziekten zoals kanker en levercirrose.
Plat als een pannenkoek
Lichaamsweefsels zijn opgebouwd uit cellen die in een structuur liggen, de zogeheten extracellulaire matrix (ECM). De ECM geeft vorm en stevigheid aan weefsels, en aan de cellen die erin liggen. Mechanische krachten tussen de ECM en cellen zorgen ervoor dat deze cellen een bepaalde vorm krijgen: op een zachte ondergrond zijn cellen vaak rond en klein, op een stevige ondergrond spreiden ze zich als pannenkoeken, en op een ondergrond met een stijfheid daartussenin worden ze langwerpig. Merks legt uit: ‘Ons model laat zien dat dit verklaard kan worden uit het samenspel van de krachten die cellen uitoefenen op hun omgeving, hoe gemakkelijk de omgeving meegeeft met die krachten, en de reactie van de focal adhesions, dat zijn de “voetjes” van cellen. Die worden steviger naarmate ze meer krachten ondervinden.’
Greep op de ondergrond
Het lijkt er dus op dat de ‘voetjes’ van cellen meer houvast hebben op een stevige ondergrond. Die mate van greep blijkt ook een rol te spelen in de beweging van cellen. Merks: ‘De voetjes hechten zich net iets sterker aan de stijvere kant van de matrix dan aan de slappere kant. Als de cellen zich voortdurend lostrekken en nieuwe verbindingen maken met de ondergrond, hebben de sterkere verbindingen aan de stijvere kant meer houvast. Zo beweegt de cel langzamerhand de stijvere kant op.’ Volgens Merks levert het model inzichten op die bijdragen aan fundamentele kennis over hoe cellen zich gedragen in weefsels: ‘De inzichten zijn van belang voor weefsel-engineering, en bijvoorbeeld ook voor beter begrip van bloedvatgroei en de verspreiding van tumorcellen. We hebben er weer een brokje fundamentele kennis bij.’
Publicatie: Rens, E.G., Merks, R.M.H., Cell Shape and Durotaxis Explained from Cell-Extracellular Matrix Forces and Focal Adhesion Dynamics, iScience 23, 101488 (2020), doi: https://doi.org/10.1016/j.isci.2020.101488.