Eine Studie zeigt, dass, wenn sich ein Gewebe krümmt, das Volumen der Zellen, aus denen es besteht, zunimmt

Unsere Zellen lassen es sich in den Kurven gut gehen

Durch das Biegen einer „Platte“ aus Zellen, ähnlich der, aus der unsere Haut besteht, stellten die Forscher genauer fest, dass die Zellen anschwillten und die Form kleiner Kuppeln annahmen. Bildnachweis: Aurelien Roux

Wie organisieren sich unsere Zellen, um unseren Organen ihre endgültige Form zu geben? Die Antwort liegt in der Morphogenese, der Reihe von Mechanismen, die ihre räumliche Verteilung während der Embryonalentwicklung regulieren. Ein Team der Universität Genf (UNIGE) hat auf diesem Gebiet gerade eine überraschende Entdeckung gemacht: Wenn sich ein Gewebe krümmt, nimmt das Volumen der Zellen, aus denen es besteht, zu, anstatt abzunehmen. Diese Entdeckung eröffnet neue Wege für die In-vitro-Organkultur, eine partielle Alternative zu Tierversuchen. Es schlägt auch neue Perspektiven für die Herstellung bestimmter Materialien vor. Diese Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht Entwicklungszelle.

In der Biologie werden die Mechanismen, die die Verteilung von Zellen im Raum bestimmen, um die Form und Struktur unserer Gewebe und Organe zu formen, als „Morphogenese“ bezeichnet. Diese Mechanismen wirken während embryonale Entwicklung und erklären, wie zum Beispiel die Falten unseres Darms oder die Lungenbläschen unserer Lunge entstehen. Mit anderen Worten, diese Phänomene liegen unserer Entwicklung und der aller Lebewesen zugrunde.

Zellen schwellen an und das ist unerwartet

In einer kürzlich durchgeführten Studie untersuchte das Team von Professor Roux, wie die Zellen, aus denen ein Gewebe besteht, reagieren und sich anpassen, wenn es gebogen wird. Durch das In-vitro-Rollen einer Monoschicht von Zellen, bei der es sich um eine kompakte, flache Ansammlung von Zellen handelt, die nebeneinander angeordnet sind, machten die Wissenschaftler der UNIGE eine kontraintuitive Entdeckung. „Wir fanden heraus, dass das Volumen der in der Krümmung befindlichen Zellen nach fünf Minuten um etwa 50 % zunahm, anstatt abzunehmen, und sich dann innerhalb von 30 Minuten wieder normalisierte“, erklärt Aurélien Roux, der Letztautor dieser Studie. Dies ist das Gegenteil dessen, was beim Biegen eines elastischen Materials beobachtet werden kann.

Durch das Biegen dieser „Platte“ aus Zellen, die unserer Haut ähnlich ist, stellten die Forscher genauer fest, dass diese anschwillte und die Form kleiner Kuppeln annahm. „Dass diese Volumenzunahme zeitlich gestaffelt und transient ist, zeigt auch, dass es sich um ein aktives und lebendiges System handelt“, ergänzt Caterina Tomba, Erstautorin der Studie und ehemalige Forscherin in der Abteilung für Biochemie der UNIGE.

Ein mechanisches und biologisches Phänomen

Es ist die Kombination zweier Phänomene, die diese Volumenzunahme erklärt. „Die erste ist eine mechanische Reaktion auf die Krümmung, die zweite ist mit der Krümmung verbunden osmotischer Druck auf die Zelle ausgeübt wird”, sagt Aurélien Roux. Die Zellen entwickeln sich in einer Umgebung aus Salzwasser. Tee Semipermeable Membran die sie von ihrer Umgebung trennt, lässt Wasser passieren, aber kein Salz, das einen gewissen Druck auf die Zelle ausübt. Je größer die Salzkonzentration außerhalb – und damit der sogenannte osmotische Druck – ist, desto mehr Wasser wird die Zellmembran passieren und ihr Volumen vergrößern.

„Wenn eine Krümmung hervorgerufen wird, reagieren die Zellen so, als würde der osmotische Druck steigen. Sie nehmen also mehr Wasser auf und schwellen dadurch an“, erklärt der Forscher.

Nützlich zur Reduzierung von Tierversuchen

Verstehen wie Zellen auf Biegung reagieren, ist ein wichtiger Fortschritt für die In-vitro-Entwicklung von Organoiden. Diese dreidimensionalen mehrzelligen Strukturen, die die Mikroanatomie eines Organs und seiner Funktionen nachahmen, können in der Tat viel Forschung ermöglichen, ohne dass Tierversuche erforderlich sind. „Unsere Entdeckung ist ein aktives Phänomen, das berücksichtigt werden muss, um das spontane Wachstum von Organoiden zu kontrollieren, dh um die gewünschte Form und Größe des Organs zu erhalten“, sagt Aurélien Roux. Langfristiges Ziel wäre es, für bestimmte Patienten jedes beliebige Ersatzorgan „wachsen“ lassen zu können.

Diese Ergebnisse sind auch für die Industrie interessant. „Heute gibt es keine Materialien, die sich vermehren Volumen wenn gefaltet. Ingenieure haben ein solches Material konzipiert, ohne es jemals zu merken, weil seine Herstellung äußerst kompliziert war. Unsere Arbeit bietet daher auch neue Schlüssel zum Verständnis der Entwicklung solcher Materialien“, schließt Aurélien Roux.


Zelluläre Tornados formen Organe


Mehr Informationen:
Aurélien Roux et al., Epithelzellen passen sich an die Krümmungsinduktion durch transiente aktive osmotische Schwellung an, Entwicklungszelle (2022). DOI: 10.1016/j.devcel.2022.04.017. www.cell.com/developmental-cel … 1534-5807(22)00285-4

Zur Verfügung gestellt von
Universität Genf


Zitieren: Studie zeigt, dass, wenn sich ein Gewebe krümmt, das Volumen der Zellen, aus denen es besteht, zunimmt (2022, 13. Mai), abgerufen am 14. Mai 2022 von https://phys.org/news/2022-05-tissue-volume-cells.html

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