Living Cells Respond to the Interface Tension of Soft Solids

Seit Jahrzehnten wissen Wissenschaftler, dass lebende Zellen empfindlich auf die Härte des Bodens unter ihnen reagieren. Genau wie ein Mensch auf einer asphaltierten Straße anders gehen könnte als auf einem schlammigen Feld, verändern Zellen ihre Form, ihre Bewegung und ihre innere Struktur, je nachdem, ob sie auf einer steifen oder einer weichen Oberfläche sitzen. Diese Fähigkeit, mechanische Steifigkeit zu fühlen und darauf zu reagieren, wird als Mechanosensing bezeichnet. Es ist ein grundlegender Prozess, der den Zellen hilft zu entscheiden, ob sie wachsen, sich teilen oder bewegen, und er spielt eine entscheidende Rolle dabei, wie Gewebe entstehen und wie Krankheiten wie Krebs sich ausbreiten. Um dies zu untersuchen, züchten Forscher Zellen typischerweise auf künstlichen Oberflächen, die die natürliche Umgebung des Körpers nachahmen. Zwei der am häufigsten verwendeten Materialien für diese Oberflächen sind Hydrogele, welche wasserreiche Gele sind, die dem Gewebe in unserem Körper ähneln, und Elastomere, die gummiartige Kunststoffe sind.

Es hat jedoch ein langjähriges Rätsel in den Laboren fortbestanden: Zellen verhalten sich auf diesen beiden Materialien unterschiedlich, selbst wenn sie so hergestellt wurden, dass sie dieselbe gemessene Steifigkeit aufweisen. Auf einer weichen Gummioberfläche verhalten sich Zellen oft so, als wäre das Material viel steifer, als es tatsächlich ist, und weigern sich, sich auszubreiten, wie sie es auf einem weichen Gel tun würden. Jahrelang vermuteten Wissenschaftler, dass Faktoren wie Oberflächenrauheit, Porosität oder wasserabweisende Eigenschaften die Ursache seien. Doch der wahre Grund für diese Diskrepanz blieb verborgen, was eine Lücke in unserem Verständnis darüber hinterließ, wie Zellen ihre Welt wahrnehmen.

Einem Forscherteam der Universität Tübingen ist es nun gelungen, das fehlende Puzzleteil zu finden. Sie entdeckten, dass die in diesen Experimenten verwendeten gummiartigen Oberflächen eine verborgene physikalische Eigenschaft namens Grenzflächenspannung besitzen. Dies ist eine Kraft, die entlang der äußersten Kante wirkt, an der das feste Material auf die flüssige Umgebung trifft, ähnlich wie die Spannung, die man an der Oberfläche eines Wassertropfens spürt. Die Forscher fanden heraus, dass auf weichen Gummisubstraten diese Grenzflächenspannung überraschend stark ist und zwischen 10 und 20 Millinewton pro Meter liegt. Diese Kraft ist so signifikant, dass sie die Oberfläche aus der Perspektive der Zelle effektiv versteift. Wenn eine Zelle versucht, gegen eine weiche Gummioberfläche zu drücken, stößt sie nicht nur auf die Weichheit des Gummis selbst, sondern auch auf diesen zusätzlichen Widerstand durch die Grenzflächenspannung. Das Ergebnis ist, dass die Zelle eine Oberfläche wahrnimmt, die viel härter ist, als das Gummi eigentlich ist.

Um diese unsichtbare Kraft zu enthüllen, nutzte das Team ein spezialisiertes Bildgebungswerkzeug namens Raster-Ionen-Leitfähigkeitsmikroskopie (Scanning Ion Conductance Microscopy). Im Gegensatz zu herkömmlichen Mikroskopen, die eine Probe vielleicht herunterdrücken und zerquetschen würden, schwebt diese Technik knapp über der Oberfläche und misst den Stromfluss durch eine winzige Glasspitze, die mit Flüssigkeit gefüllt ist. Durch das vorsichtige Abtasten der Gummioberflächen mit dieser Methode konnten die Forscher messen, wie sehr sich das Material unter einer mikroskopischen Kraft verformte. Sie fanden heraus, dass sich das Gummi zwar bei großflächigen Messungen weich anfühlte, unter der winzigen Spitze des Mikroskops jedoch bemerkenswert steif erschien. Diese Diskrepanz trat auf, weil die Grenzflächenspannung die Verformung widerstand, wodurch sich das weiche Gummi wie ein viel härteres Material anfühlte.

Die Forscher testeten dann, ob das Entfernen dieser Spannung das Verhalten der Zellen verändern würde. Sie behandelten die Gummioberflächen mit einer Substanz, die als Emulgator bekannt ist und dazu dient, die Oberflächenspannung zu senken. Nach dieser Behandlung sank die Grenzflächenspannung signifikant auf etwa 3 bis 4 Millinewton pro Meter. Als sie Zellen auf diesen behandelten Oberflächen züchteten, änderte sich das Verhalten dramatisch. Die Zellen verhielten sich nicht mehr so, als wäre die Oberfläche steif; stattdessen breiteten sie sich aus und verhielten sich genau so, wie sie es auf einem weichen Hydrogel tun würden. Dies bestätigte, dass die Zellen nicht auf die inhärente Härte des Gummis reagierten, sondern auf den kombinierten Effekt dieser Härte und der Grenzflächenspannung.

Durch die Kombination dieser Beobachtungen entwickelte das Team ein einfaches physikalisches Modell, um das Phänomen zu erklären. Sie stellten fest, dass Zellen eine „effektive Steifigkeit“ spüren, die die Summe aus der tatsächlichen Härte des Materials und einem aus der Grenzflächenspannung abgeleiteten Wert ist. Diese Beziehung hängt von einer spezifischen Längenskala ab, die die Forscher auf etwa 3 Mikrometer berechneten. Diese Größe entspricht in etwa der Skala der winzigen Anker, die Zellen nutzen, um sich an Oberflächen festzuhalten. Das Modell legt nahe, dass eine Zelle, wann immer sie mit einem weichen Material interagiert, im Wesentlichen eine Kombination aus der Volumensteifigkeit des Materials und der Spannung an seiner Oberfläche spürt.

Diese Entdeckung verändert die Art und Weise, wie Wissenschaftler Experimente mit weichen Materialien interpretieren sollten. Sie erklärt, warum Zellen auf Gummisubstraten historisch gesehen anders reagiert haben als auf Hydrogelen, selbst wenn die Materialien in ihrer Steifigkeit identisch sein sollten. Die Studie zeigt, dass die Grenzflächenspannung ein entscheidender, wenn auch oft übersehener Faktor in der Mechanobiologie ist. Für Forscher bedeutet dies, dass es nicht ausreicht, lediglich die Steifigkeit eines Materials anzugleichen; sie müssen auch die Spannung an der Oberfläche berücksichtigen. Durch das Verständnis und die Kontrolle dieser Eigenschaft können Wissenschaftler präzisere Modelle des menschlichen Körpers erstellen, was zu besseren Erkenntnissen darüber führt, wie Zellen in Gesundheit und Krankheit funktionieren. Die Arbeit unterstreicht, dass die physikalische Welt, in der Zellen leben, komplexer ist als ein einfaches Maß an Härte; sie beinhaltet ein empfindliches Gleichgewicht von Kräften, die das Leben auf mikroskopischer Ebene bestimmen.