Hydrogel dimensionality directs mechanics-dependent nascent matrix deposition by tendon fibroblasts

Sehnen sind die zähen, seilartigen Gewebe, die Muskeln mit Knochen verbinden und es uns ermöglichen, uns mit Kraft und Präzision zu bewegen. In diesen Geweben fungieren spezialisierte Zellen, die sogenannten Sehnenfibroblasten, als Baucrew, die ständig die extrazelluläre Matrix aufbaut und repariert. Diese Matrix ist ein komplexes Gerüst aus Proteinen, primär Kollagen, das der Sehne ihre Struktur und ihre Fähigkeit verleiht, Kräften standzuhalten. Damit diese Zellen ihre Arbeit korrekt verrichten können, müssen sie in der Lage sein, die physische Umgebung um sie herum wahrzunehmen. Sie spüren die Steifigkeit der Materialien, in die sie eingebettet sind, und passen ihr Verhalten entsprechend an. Wenn die Umgebung zu weich oder zu hart ist oder wenn die Zellen auf eine Weise gefangen sind, die ihre Bewegung verhindert, kann die Bauarbeit fehlerhaft verlaufen, was zu Verletzungen oder schlechter Heilung führt. Zu verstehen, wie genau diese Zellen ihre physische Umgebung interpretieren, ist entscheidend für die Entwicklung besserer Behandlungen von Sehnenverletzungen und für das Design künstlicher Materialien, die helfen können, beschädigtes Gewebe zu reparieren.

Wissenschaftler wissen schon lange, dass die Steifigkeit einer Oberfläche beeinflusst, wie Zellen sich verhalten, aber die Regeln ändern sich, je nachdem, ob die Zellen auf einer flachen Oberfläche sitzen oder in einem dreidimensionalen Gel schweben. In einer flachen, zweidimensionalen Welt breiten sich Zellen im Allgemeinen stärker aus und werden aktiver, wenn sie auf einer steiferen Oberfläche platziert werden. Wenn Zellen jedoch in einem dreidimensionalen Gel gefangen sind, kehren sich die Regeln oft um: Ein steiferes Gel kann die Zelle tatsächlich zusammenquetschen, was es ihr erschwert, sich auszubreiten und ihre Arbeit zu verrichten. Eine neue Studie von Forschern der University of Pennsylvania und der University of Michigan setzte sich zum Ziel zu untersuchen, wie diese unterschiedlichen Regeln für Sehnenfibroblasten gelten und insbesondere, wie sie das neue Material beeinflussen, das diese Zellen bauen. Das Team wollte wissen, ob die Dimensionalität der Umgebung – flach gegenüber dreidimensional – die Art und Weise verändert, wie Sehnenzellen auf Steifigkeit reagieren und ihre neue Matrix ablagern.

Um dies zu untersuchen, verwendeten die Forscher eine spezielle Art von Gel aus Hyaluronsäure, einer natürlichen Substanz, die im Körper vorkommt, die sie jedoch modifizierten, um die Steifigkeit präzise steuern zu können. Sie züchteten Sehnenfibroblasten aus Schwanzsehnen von Mäusen und platzierten sie in zwei verschiedenen Aufbauten. Im ersten Aufbau wurden die Zellen auf flachen Gelen mit Steifigkeitswerten von 10 und 25 Kilopascal ausgesät. Im zweiten Aufbau wurden die Zellen in drei-dimensionale Gele mit Steifigkeitswerten von 5, 10 und 50 Kilopascal eingeschlossen. Um genau zu sehen, welches neue Material die Zellen herstellten, nutzten die Wissenschaftler eine geschickte Markierungstechnik. Sie fütterten die Zellen mit einem Zuckermolekül, das die Zellen in ihre neu gebauten Proteine einbauten. Später fügten sie einen leuchtenden Tag hinzu, der sich spezifisch an diesen Zucker band, wodurch sie die frische, entstehende Matrix sichtbar machen konnten, während sie um die Zellen herum abgelagert wurde.

In den flachen, zweidimensionalen Kulturen folgten die Ergebnisse dem erwarteten Muster. Wenn die Zellen auf dem steiferen Gel waren, breiteten sie sich stärker aus und wurden flacher und größer. Diese Ausbreitung wurde von einer Änderung der internen Signalkaskade der Zelle begleitet, speziell der Bewegung eines Proteins namens YAP in den Zellkern, das als Schalter für Wachstum und Matrixproduktion fungiert. Infolgedessen lagerten die Zellen auf dem steiferen 25-Kilopascal-Gel signifikant mehr neue Matrix ab als jene auf dem weicheren 10-Kilopascal-Gel. Die Forscher beobachteten, dass die neue Matrix als kleine Punkte in der Nähe der Zelle begann und schließlich zu kontinuierlichen, fibrösen Netzwerken heranwuchs – ein Prozess, der über die Zeit unabhängig von der Steifigkeit geschah, wenngleich die Gesamtmenge auf der steiferen Oberfläche höher war.

Die Geschichte änderte sich völlig, als die Zellen in die dreidimensionalen Gele gesetzt wurden. Hier war die Beziehung zwischen Steifigkeit und Zellverhalten umgekehrt. Die Zellen in den weicheren Gelen, bei 5 und 10 Kilopascal, konnten sich etwas mehr ausbreiten und zeigten höhere Werte des YAP-Proteins in ihren Kernen als die Zellen im steifsten 50-Kilopascal-Gel. Die Zellen im steifen 3D-Gel blieben klein und rund, gefangen durch das dichte Netzwerk des Materials. Infolgedessen war die Menge der von ihnen neu abgelagerten Matrix im steifen Gel geringer als in den weicheren. Interessanterweise produzierten die Zellen im 10-Kilopascal-Gel die meiste neue Matrix von allen, sogar mehr als jene im 5-Kilopascal-Gel, was darauf hindeutet, dass es in drei Dimensionen eine optimale Steifigkeit für die Matrixproduktion gibt, die sich von dem Trend in flachen Kulturen unterscheidet.

Die Forscher untersuchten auch die genetischen Anweisungen innerhalb der Zellen, um zu verstehen, was sie planen zu bauen. Sie fanden heraus, dass die Zellen in den weicheren 3D-Gelen Gene aktivierten, die mit einer gesunden Sehnenbildung assoziiert sind, wie etwa jene für Kollagen Typ I und Tenascin C. Im Gegensatz dazu schalteten die Zellen im steifen 50-Kilopascal-Gel diese sehenspezifischen Gene herunter und zeigten stattdessen Anzeichen eines anderen, weniger sehnentypischen Zustands. Sie produzierten weniger des spezifischen Kollagens, das die perizelluläre Umgebung der Sehnenzellen bildet, und stattdessen mehr einer anderen Art von Kollagen, die normalerweise in Basalmembranen zu finden ist. Diese Verschiebung in der genetischen Programmierung bestätigte, dass die physische Einengung durch das steife Gel die Identität der Zelle und ihre Fähigkeit zu funktionieren grundlegend veränderte.

Die Studie unterstreicht, dass die Dimensionalität der Umgebung ein entscheidender Faktor dafür ist, wie Sehnenzellen ihre Umgebung wahrnehmen und auf sie reagieren. Während eine steifere Oberfläche die Matrixproduktion in einer flachen Kultur fördert, kann ein steiferes dreidimensionales Gel diese tatsächlich unterdrücken, indem es die Zelle physisch einschränkt und ihr genetisches Programm verändert. Diese Erkenntnis legt nahe, dass es nicht immer die Lösung ist, ein Material einfach nur steifer zu machen, um die Gewebereparatur zu fördern. Stattdessen muss das Design von Biomaterialien für die Sehnenheilung die dreidimensionale Natur des Gewebes berücksichtize, um sicherzustellen, dass das Material weich genug ist, damit sich die Zellen ausbreiten und ihre sehenspezifischen Gene aktivieren können, aber dennoch strukturiert genug, um die Bildung einer robusten neuen Matrix zu unterstützen. Durch die Kartierung dieser komplexen Interaktionen haben die Forscher einen klareren Leitfaden für die Schaffung künstlicher Umgebungen geliefert, die die natürlichen Reparaturmechanismen des Körpers effektiv unterstützen können.