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Schon einfacher mechanischer Druck lässt Zellen wandern

ForscherInnen der Medizinischen Universität Innsbruck und des Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) liefern in einer rezenten Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift Cell weitreichende Einblicke in den Prozess der Zellmigration. Die Erkenntnis, dass schon einfacher mechanischer Druck genügt, um Zellen in Bewegung zu setzen, könnte vor allem im Rahmen der Embryonalentwicklung sowie der Metastasierung von Tumorzellen Relevanz besitzen.

Die Zellbiologie unterscheidet migratorische und nicht-migratorische Zellen, wobei bewegliche Zellen vor allem in der Embryonalperiode und während des Wachstums, später in Regenerations-, und Heilungsprozessen sowie in der Immunantwort, aber auch bei der  Metastasierung von Tumorzellen eine große Rolle spielen.

Das Thema Zellmigration steht bei Dr. Stefan Wieser, vormals am IST und seit über einem Jahr Physiker und Biologe an der Sektion für Biomedizinische Physik (Direktorin Univ.-Prof.ⁱⁿ Dr.ⁱⁿ Monika Ritsch-Marte) schon seit einigen Jahren im Fokus seiner Forschungstätigkeit. Nun berichtet er gemeinsam mit seiner Kollegin Verena Ruprecht im anerkannten Fachmagazin Cell über einen neuen Auslöser für die Migration von Zellen. „Mittels embryonaler Vorläuferzellen im Zebrafischmodell gelang es uns zu zeigen, dass erhöhter Druck als physikalische Rahmenbedingung allein genügt, um Zellen in Bewegung zu setzen. Die Stammzelle transformiert unter den beengten physikalischen Umständen, indem an der Membran stabile Bläschen ausgebildet und zur schnellen amöboid-ähnlichen Fortbewegung genutzt werden“, erklärt Stefan Wieser.

Ohne Druck keine Migration
Die Forscher konnten zeigen, dass Kompression der Zellen eine Aktivierung des Motorproteins Myosin hervorruft, welches gemeinsam mit dem filamentösen Protein Aktin das formgebende Zytoskelett der Zelle bildet. „Werden die Motoren hochgefahren, verursachen sie eine Kontraktion, die dazu führt, dass auf der Membran Bläschen gebildet werden“, erzählt Stefan Wieser, der diesen dreidimensionalen Vorgang mittels Zweiphotonenmikroskopie veranschaulichen konnte. Dieser Prozess kann über biochemische Stimuli oder genetische Mutationen nachgestellt werden, welche Myosin Motoren aktivieren, sodass die Regelung der Motorenstärke eine breite Relevanz für die Entstehung von migrierenden Zellen darstellt.

Im Rahmen dieser neuen Zelltransformation konnte des Weiteren gezeigt werden, dass das aktivierte Zytoskelett einen effizienten mechanischen Antrieb in den Bläschen bildet. „Das Zytoskelett ist also nicht nur für die Form, sondern auch für die aus der wechselnden Oberflächenspannung entstehende Fließbewegung wichtig“, beschreibt Wieser die Fortbewegungsmaschinerie, die die Zelle mit hoher Geschwindigkeit vorwärts treibt.

Neben der Morphogenese (Entstehung der Form), in der sich die Keimschichten der Zellen entwickeln, spielen Stammzellen auch im Prozess des Tumorwachstums bzw. der Metastasierung eine große Rolle, weshalb die neuen Erkenntnisse hinsichtlich Therapieentwicklung ein starkes Argument liefern könnten. „Aufbauend auf unseren Ergebnissen wollen wir künftig auch mit Immunzellen, vor allem mit dendritischen Zellen forschen“, blickt Wieser in die nahe Zukunft. Weitere optische Experimente, etwa mit optischen Pinzetten (Holographic Laser Tweezers), wie sie von Prof.in Monika Ritsch-Marte und Assistenzprofessor Dr. Gregor Thalhammer an der Sektion für Biomedizinische Physik entwickelt werden, sollen es ermöglichen, die auf die Zellmembran für die Bläschenbildung übertragenen Kräfte genau zu bestimmen und so weitere Details der Migration zu beleuchten.

(D.Heidegger)

Links:

Cortical contractility triggers a stochastic switch to fast amoeboid cell motility. Ruprecht V, Wieser S, Callan-Jones A, Smutny M, Morita H, Sako K, Barone V, Ritsch-Marte M, Sixt M, Voituriez R, Heisenberg CP. Cell. 2015 Feb 12;160(4):673-85.
http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2015.01.008

Sektion für Biomedizinische Physik
https://www.i-med.ac.at/dpmp/bmp/

Forschungsbereich Optical Tweezers
https://www.i-med.ac.at/dpmp/bmp/research/opticaltweezers/

IST, Heisenberg Group
http://ist.ac.at/research-groups-pages/heisenberg-group/