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

Pezen zijn de taai, touwachtige weefsels die spieren met bot verbinden, waardoor we met kracht en precisie kunnen bewegen. Binnen deze weefsels fungeren gespecialiseerde cellen, genaamd peesfibroblasten, als de bouwploeg die voortdurend de extracellulaire matrix opbouwt en repareert. Deze matrix is een complex steigerwerk van eiwitten, voornamelijk collageen, dat de pees zijn structuur en het vermogen geeft om krachten te weerstaan. Om hun werk correct te kunnen doen, moeten deze cellen in staat zijn om de fysieke omgeving om hen heen waar te nemen. Ze voelen de stijfheid van de materialen waarin ze zijn ingebed en passen hun gedrag daarop aan. Als de omgeving te zacht of te hard is, of als de cellen op een manier gevangen zitten die beweging verhindert, kan het bouwwerk fout gaan, wat leidt tot letsel of slechte genezing. Het begrijpen van de exacte manier waarop deze cellen hun fysieke omgeving interpreteren, is cruciaal voor het ontwikkelen van betere behandelingen voor peesletsels en voor het ontwerpen van kunstmatige materialen die kunnen helpen bij het repareren van beschadigd weefsel.

Wetenschappers weten al lang dat de stijfheid van een oppervlak invloed heeft op hoe cellen zich gedragen, maar de regels veranderen afhankelijk van of de cellen op een plat oppervlak zitten of drijven in een driedimensionale gel. In een platte, tweedimensionale wereld verspreiden cellen zich over het algemeen meer en worden ze actiever wanneer ze op een stijver oppervlak worden geplaatst. Echter, wanneer cellen gevangen zitten in een driedimensionale gel, draaien de regels vaak om: een stijvere gel kan de cel juist samenpersen, waardoor het moeilijker wordt voor de cel om zich uit te spreiden en haar werk te doen. Een nieuwe studie door onderzoekers van de University of Pennsylvania en de University of Michigan wilde zien hoe deze verschillende regels van toepassing zijn op peesfibroblasten en, specifieker nog, hoe ze de nieuwe matrix beïnvloeden die de cellen opbouwen. Het team wilde weten of de dimensionaliteit van de omgeving — plat versus driedimensionaal — de manier waarop peescellen reageren op stijfheid en hun nieuwe matrix afzetten, verandert.

Om dit te onderzoeken, gebruikten de onderzoekers een gespecialiseerd type gel gemaakt van hyaluronzuur, een natuurlijke stof die in het lichaam voorkomt, die zij hadden aangepast om de stijfheid nauwkeurig te kunnen afstemmen. Ze kweekten peesfibroblasten uit staartpezen van muizen en plaatsten deze in twee verschillende opstellingen. In de eerste opstelling werden de cellen gezaaid op platte gels met stijfheidsniveaus van 10 en 25 kilopascal. In de tweede opstelling werden de cellen ingekapseld in driedimensionale gels met stijfheidsniveaus van 5, 10 en 50 kilopascal. Om precies te zien welke nieuwe materie de cellen maakten, gebruikten de wetenschappers een slimme etiketteringstechniek. Ze voerden de cellen een suikermolecuul toe dat de cellen in hun nieuw gebouwde eiwitten incorporeerden. Later voegden ze een lichtgevende tag toe die specif kind aan deze suiker hechtte, waardoor ze de verse, jonge matrix konden zien terwijl deze rond de cellen werd afgezet.

In de platte, tweedimensionale culturen volgden de resultaten het verwachte patroon. Wanneer de cellen op de stijvere gel zaten, verspreidden ze zich meer en werden ze platter en groter. Deze verspreiding ging gepaard met een verandering in de interne signalering van de cel, specifiek de beweging van een eiwit genaamd YAP naar de celkern, wat fungeert als een schakelaar voor groei en matrixproductie. Als gevolg hiervan zetten de cellen op de stijvere 25-kilopascal gel aanzienlijk meer nieuwe matrix af dan de cellen op de zachtere 10-kilopascal gel. De onderzoekers observeerden dat de nieuwe matrix begon als kleine stipjes nabij de cel, maar uiteindelijk uitgroeide tot continue, vezelige netwerken; een proces dat over tijd plaatsvond ongeacht de stijfheid, hoewel de totale hoeveelheid hoger was op het stijvere oppervlak.

Het verhaal veranderde volledig toen de cellen in de driedimensionale gels werden geplaatst. Hier was de relatie tussen stijfheid en celgedrag omgekeerd. De cellen in de zachtere gels, bij 5 en 10 kilopascal, waren in staat zich iets meer uit te spreiden en vertoonden hogere niveaus van het YAP-eiwit in hun kernen vergeleken met de cellen in de stijfste 50-kilopascal gel. De cellen in de stijve 3D-gel bleven klein en rond, gevangen door het nauwe netwerk van het materiaal. Bijgevolg was de hoeveelheid nieuwe matrix die zij afzetten lager in de stijve gel dan in de zachtere gels. Interessant genoeg produceerden de cellen in de 10-kilopascal gel de meeste nieuwe matrix van allemaal, zelfs meer dan die in de 5-kilopascal gel, wat suggereert dat er een optimale stijfheid is voor matrixproductie in drie dimensies die verschilt van de trend gezien in platte culturen.

De onderzoekers keken ook naar de genetische instructies binnen de cellen om te begrijpen wat ze van plan waren te bouwen. Ze vonden dat de cellen in de zachtere 3D-gels genen aanzetten die geassocieerd zijn met gezonde peesvorming, zoals die voor collageen type I en tenascine C. In contrast hiermee zetten de cellen in de stijve 50-kilopascal gel de peesspecifieke genen juist uit en vertoonden ze tekenen van een andere, minder peesachtige staat. Ze produceerden minder van het specifieke collageen dat de pericellulaire omgeving van peescellen vormt, en meer van een ander type collageen dat gewoonlijk in basaalmembranen wordt gevonden. Deze verschuiving in genetische programmering bevestigde dat de fysieke beperking van de stijve gel de identiteit van de cel en haar vermogen om als peesbouwer te functioneren fundamenteel veranderde.

De studie benadrukt dat de dimensionaliteit van de omgeving een cruciale factor is in hoe peescellen hun omgeving waarnemen en erop reageren. Terwijl een stijver oppervlak de matrixproductie stimuleert in een platte cultuur, kan een stijvere driedimensionale gel deze juist onderdrukken door de cel fysiek te beperken en haar genetische programma te veranderen. Deze bevinding suggereert dat het simpelweg stijver maken van een materiaal niet altijd het antwoord is voor het stimuleren van weefselherstel. In plaats daarvan moet het ontwerp van biomaterialen voor peesherstel rekening houden met de driedimensionale aard van het weefsel, waarbij ervoor gezorgd moet worden dat het materiaal zacht genoeg is om de cellen de ruimte te geven om zich uit te spreiden en hun peesbouwgenen te activeren, maar gestructureerd genoeg is om de vorming van een robuuste nieuwe matrix te ondersteunen. Door deze complexe interacties in kaart te brengen, hebben de onderzoekers een duidelijkere gids geboden voor het creëren van kunstmatige omgevingen die het lichaam effectief kunnen ondersteunen in zijn natuurlijke herstelmechanismen.