Quantification of cellular contributions to multi-cellular pattern formation

Het leven is gebouwd op patronen. Van de strepen op een zebra tot de rangschikking van bladeren aan een stengel, levende wezens organiseren zichzelf voortdurend in complexe, herhalende structuren. Dit proces, bekend als patroonvorming, is fundamenteel voor hoe een dier groeit van een enkele cel tot een volledig gevormd organisme, hoe het geneest na een verwonding en, helaas, hoe ziekten zoals kanker zich verspreiden. Decennialang hebben wetenschappers geprobeerd de motor achter deze organisatie te begrijpen. Ze weten al lang dat cellen hun identiteit kunnen veranderen, kunnen bewegen, kunnen delen of kunnen sterven, en dat elk van deze acties potentieel de grootschalige ontwerpen kan creëren die we in de natuur zien. De uitdaging is geweest om precies te achterhalen welke van deze cellulaire acties de primaire drijfveer is in een gegeven situatie. Wordt een patroon gecreëerd omdat cellen naar specifieke plekken bewegen, of omdat ze op sommige plaatsen meer delen dan op andere? Tot nu toe vereiste het beantwoorden van deze vraag meestal dat onderzoekers eerst een specifiek mechanisme speculeerden, een complex wiskundig model bouwden op basis van die gok, en vervolgens keken of het model overeenkwam met de werkelijkheid. Als de gok fout was, moest de hele onderzoeksperiode opnieuw beginnen.

Een nieuwe benadering, ontwikkeld door onderzoekers aan de Aix Marseille Universiteit en het EMBL Heidelberg, omzeilt het gokspel volledig. In plaats van te beginnen met een theorie over hoe cellen zouden moeten gedragen, hebben zij een methode ontwikkend om simpelweg te kijken wat de cellen daadwerkelijk doen en te meten hoeveel elk specifieke proces bijdraagt aan het uiteindelijke patroon. Ze noemen hun instrument CREDIT, wat staat voor Cellular Roles in Emergent Development Inferred from Tracks. De methode berust op hoogwaardige videobeelden van levende cellen, waarbij wetenschappers de exacte positie van elke individuele cel in de loop van de tijd kunnen volgen en kunnen meten hoeveel van een specifiek eiwit elke cel produceert. Door deze trajecten te analyseren, kunnen de onderzoekers het totale patroon wiskundig scheiden in de afzonderlijke componenten, waarbij ze kwantificeren hoeveel van het ontwerp te wijten is aan bewegende cellen, hoeveel aan delende cellen en hoeveel aan het veranderen van de interne chemie van de cellen.

De onderzoekers testten hun methode eerst met computersimulaties waarbij zij het antwoord vooraf kenden. Ze creëerden virtuele werelden waarin ze het "volume" van celbeweging omhoog of omlaag konden draaien, en hetzelfde deden voor celdeling en celdood. In deze gecontroleerde simulaties identificeerde het instrument de dominante kracht correct. Wanneer ze de virtuele cellen de opdracht gaven om te bewegen om een patroon te vormen, zei het instrument dat beweging de oorzaak was. Wanneer ze de cellen de opdracht gaven om op specifieke plekken te delen om het ontwerp te creëren, identificeerde het instrument deling als de drijfveer. Deze validatie bewees dat de methode werkt zonder dat de onderliggende regels van het systeem bekend hoeven te zijn; het observeert simpelweg de geometrie van de cellen en het resulterende patroon om de oorzaak af te leiden.

Nadat het instrument betrouwbaar was bewezen, paste het team het toe op echte biologische data. Het eerste onderwerp was een cluster van embryonale cellen van een muis, specifiek uit een weefsel dat het presomietisch mesoderm wordt genoemd, wat cruciaal is voor de vorming van de ruggengraat en spieren. In deze experimenten vormden de cellen duidelijke clusters en patronen van een eiwit genaamd T/Brachyury. Eerdere studies hadden gesuggereerd dat de cellen naar deze plekken zouden bewegen vanwege chemische signalen, of dat de cellen hun eiwitniveaus zouden veranderen om het patroon te creëren. Echter, toen de onderzoekers hun nieuwe analyse uitvoerden, was het resultaat duidelijk en besluitvaardig: het patroon werd bijna volledig gedreven door de fysieke beweging van de cellen. De cellen bewogen rond en aggregeerden in clusters, en deze beweging alleen was voldoende om het waargenomen patroon te creëren. De veranderingen in de interne eiwitniveaus van de cellen speelden een verwaarloosbare rol bij het vormgeven van het ontwerp. Dit bevordert het idee dat mechanische krachten en celbeweging de primaire architecten zijn van deze specifieke ontwikkelingsfase.

De onderzoekers richtten hun aandacht vervolgens op een heel ander systeem: borstkankercelculturen. In deze petrischaaltjes organiseren kankercellen zich in "niches", of clusters, die lijken op de omgevingen waar stamcellen gewoon leven. Deze clusters worden gemarkeerd door een specifiek eiwit, ALDH1A1, dat geassocieerd wordt met kankerstamcellen. Het begrijpen van hoe deze clusters ontstaan is essentieel, omdat ze vaak verantwoordelijk zijn voor de resistentie van tumoren tegen behandelingen. In dit geval onthulde de nieuwe methode een totaal ander verhaal. Hier werd het patroon niet gedreven door cellen die naar specifieke locaties bewogen. In plaats daarvan toonde de analyse aan dat de vorming van deze kankerstamcel-niches bijna uitsluitend werd gedreven door celdeling. De cellen deelden vaker in bepaalde gebieden, waardoor er dichte clusters ontstonden. Interessant genoeg ontdekten de onderzoekers dat de veranderingen in de eiwitniveaus van de cellen de vorming van het patroon juist tegenwerkten en het ontwerp licht verstoorden, maar dat dit negatieve effect werd overstemd door de enorme kracht van de celdeling.

De kracht van deze nieuwe benadering ligt in haar eenvoud en het gebrek aan vooroordelen. Het vereist niet dat wetenschappers een specifiek mechanisme veronderstellen voordat ze beginnen. Het behandelt de cellen als geometrische objecten die door de ruimte bewegen en stelt een simpele vraag: wat doet de cel op dit moment dat het algemene beeld verandert? Door de complexe dans van ontwikkeling op te splitsen in afzonderlijke, meetbare bijdragen, onthult de methode dat het antwoord niet altijd hetzelfde is. In de muisembryo's is beweging de sleutel; in de kankercellen is deling de slekels. Dit onderscheid is cruciaal omdat het biologen precies vertelt waar ze moeten kijken voor de volgende stap in hun onderzoek. Als een patroon wordt gedreven door beweging, moeten onderzoekers de mechanische krachten tussen cellen bestudelen. Als het wordt gedreven door deling, moeten ze kijken naar de signalen die de celcyclus controleren.

Dit werk vertegenwoordigt een verschuiving van hypothesegestuurde wetenschap naar data-gestuurde ontdekking. Jarenlang zat het vakgebied vast in pogingen om observaties in bestaande modellen te passen. Dit nieuwe instrument laat de data voor zichzelf spreken, waarbij de bijdrage van elk cellulair proces wordt gekwantificeerd zonder dat de regels van het spel vooraf bekend hoeven te zijn. Het biedt een heldere, onbevooroordeelde kaart van hoe het leven zichzelf organiseert, en laat zien dat de weg naar een patroon geplaveid kan zijn door beweging, door deling, of door een combinatie van beide, afhankelijk van de specifieke biologische context. Naarmate de beeldtechnologie blijft verbeteren, waardoor wetenschappers cellen in drie dimensies en in realtime kunnen volgen, zal deze vorm van geometrische analyse waarschijnlijk een standaardmethode worden om de verborgen mechanica van het leven te begrijpen, van de vroegste stadia van een embryo tot de progressie van ziekte.