Quantifying cell shape and density fluctuations in epithelial tissue in vivo
Diese Studie präsentiert ein theoretisches Framework, das Epithelzellen als interagierende weiche Ellipsoide modelliert, um kontinuierliche stochastische Gleichungen abzuleiten, die, validiert gegen *Drosophila*-Puppenflügeldaten, kritische Parameter wie die effektive Gewebesteifigkeit und aktive Zellformänderungen durch räumlich-zeitliche Korrelationsfunktionen quantifizieren.
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Lebendes Gewebe besteht nicht aus statischen Ziegeln in einer Mauer; es sind dynamische, atmende Gemeinschaften, in denen einzelne Zellen ständig gegeneinander drängen, dehnen und pressen. Um zu verstehen, wie ein Körper wächst oder heilt, müssen Wissenschaftler über die durchschnittliche Form einer Zelle hinausblicken und auf die winzigen, flüchtigen Abweichungen von diesem Durchschnitt achten. Diese Fluktuationen, das momentane Wackeln und Dehnen einzelner Zellen, tragen verborgene Informationen über die mechanische Gesundheit des Gewebes in sich, ganz so wie das Schwanken einer Menschenmenge die Steifigkeit des Bodens unter ihren Füßen offenbaren kann. Durch die Messung dieser subtilen Bewegungen können Forscher die effektive „Steifigkeit“ eines Gewebes und wie aktiv seine Zellen daran arbeiten, ihre Form zu verändern, ableiten und erhalten so ein nicht-invasives Fenster zu den physikalischen Kräften, die Entwicklung und Reparatur vorantreiben.
In einer Studie, die sich auf den sich entwickelnden Flügel einer Fruchtfliege konzentrierte, haben Forscher einen neuen theoretischen Rahmen aufgebaut, um diese Dynamiken in lebendem Gewebe zu erfassen. Sie wählten den Flügel der Puppe der Fruchtfliege Drosophila, eine flache, einlagige Zellschicht, die sich dehnt und umgestaltet, während das Insekt heranreift. Mit Hochleistungsmikroskopen und fortschrittlicher Bildanalyse verfolgte das Team die Formen und Positionen von über einer Million einzelner Zellen über einen Zeitraum von drei Stunden. Sie beobachteten, dass die Zellen zwar aufgrund der Spannung des umliegenden Gewebes allgemein in eine bestimmte Richtung gestreckt wurden, jede Zelle jedoch auch ihre eigene, einzigartige, zufällige Fluktuation in Form und Größe aufwies. Um dieses Chaos begreifbar zu machen, modellierten die Wissenschaftler die Zellen als weiche, elastische Ellipsen, die mit ihren Nachbarn interagieren und es ihnen ermöglichen, ihre Fläche zu verändern, sich zu dehnen und zu rotieren. Durch die Mittelung des Verhaltens dieser Millionen von Zellen leiteten sie einen Satz von Gleichungen ab, die beschreiben, wie sich lokale Abweichungen in Zellform und -dichte über Zeit und Raum im Gewebe ausbreiten.
Die Forscher verglichen dann die Vorhersagen ihres mathematischen Modells mit den tatsächlich gesammelten Daten aus den Fliegenflügeln. Sie fanden heraus, dass das Modell in der Lage war, die Muster, wie Zellformen über verschiedene Distanzen und Zeitintervalle hinweg miteinander korrelierten, genau zu reproduzieren. Dies ermöglichte es ihnen, spezifische numerische Werte zu extrahieren, die die physikalischen Eigenschaften des Gewebes repräsentieren. Sie ermittelten einen Wert für die effektive „Steifigkeit“ des Gewebes, der beschreibt, wie widerstandsfähig das Gewebe gegen Verformung ist, sowie ein Maß für die „aktive Formveränderung“, das quantifiziert, wie intensiv die Zellen sich selbst umbauen. Die Studie zeigte, dass sich das Gewebe wie ein Material mit einer spezifischen Starrheit verhält, jedoch eines, das auch von internen, aktiven Kräften angetrieben wird, die von den Zellen selbst erzeugt werden. Das Modell zeigte, dass die Bewegung der Zellen relativ zu ihren Nachbarn überraschend gering war, was darauf hindeutet, dass das Gewebe eine enge, kohärente Struktur beibehält und dennoch die notwendige Umgestaltung ermöglicht, die für die Entwicklung erforderlich ist.
Um zu testen, ob dieser Rahmen in der Lage ist, Veränderungen der Gewebegesundheit zu erkennen, wandten die Wissenschaftler ihre Methode auf verletzte Flügel an. Sie erzeugten kleine, kreisförmige Wunden im Gewebe und beobachteten, wie die Zellen die Lücke schlossen. Sobald die Wunden geschlossen waren, maßen sie die Gewebeeigenschaften erneut. Sie fanden heraus, dass das Gewebe nahe der geheilten Wunde weicher geworden war, mit einer geringeren effektiven Steifigkeit, was wahrscheinlich dazu beitrug, dass die Zellen leichter deformierbar waren und die Verletzung schließen konnten. Viel wichtiger war jedoch, dass sie eine signifikante Zunahme der Rate der aktiven Formveränderungen in den Zellen nahe der Wunde beobachteten, was darauf hindeutete, dass die Zellen härter arbeiteten, um sich selbst umzubauen, um die Heilung zu erleichtern. Dies stand in starkem Kontrast zum Verhalten von genetisch veränderten Fliegen, bei denen ein spezifischer Signalweg blockiert war. In diesen modifizierten Fliegen versäumten es die Zellen, ihre aktiven Formveränderungen nach der Verletzung zu steigern, und das Gewebe blieb länger weich. Dieses Ausbleiben des aktiven Umbaus korrelierte mit der bekannten Verzögerung der Wundheilung bei diesen Fliegen, was bestätigte, dass das Modell zwischen passiver mechanischer Weichheit und der aktiven biologischen Anstrengung zur Reparatur unterscheiden konnte.
Die Studie zeigt, dass Wissenschaftler, indem sie auf das leise Fluktuieren der Zellen hören, den mechanischen Zustand eines lebenden Gewebes quantifizieren können, ohne es zu stören. Die Forscher zeigten, dass sie die passiven, strukturellen Eigenschaften des Gewebes von den aktiven, energiegetriebenen Verhaltensweisen der Zellen trennen konnten. Dieser Ansatz bietet ein leistungsfähiges Werkzeug, um zu verstehen, wie Gewebe auf Verletzungen oder genetische Veränderungen reagieren, indem er eine Möglichkeit bietet, die „Steifigkeit“ und „Aktivität“ eines Gewebes in Echtzeit zu messen. Die Fähigkeit, zwischen einem Gewebe, das einfach nur weich ist, und einem, das aktiv versucht, seine Form zu ändern, zu unterscheiden, könnte Forschern helfen, die physikalischen Mechanismen hinter komplexen biologischen Prozessen zu verstehen, von der Bildung von Organen bis hin zur Reaktion des Körpers auf Verletzungen.
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