Living Cells Respond to the Interface Tension of Soft Solids

Al decennia lang weten wetenschappers dat levende cellen gevoelig zijn voor de hardheid van de grond onder hen. Net zoals een persoon anders kan lopen op een geasfalteerde weg vergeleken met een modderig veld, veranderen cellen van vorm, beweging en interne structuur afhankelijk van of ze op een stijf oppervlak of op een zacht oppervlak zitten. Dit vermogen om mechanische stijfheid te voelen en erop te reageren, wordt mechanosensatie genoemd. Het is een fundamenteel proces dat cellen helpt beslissen of ze groeien, delen of bewegen, en het speelt een cruciale rol in hoe weefsels worden gevormd en hoe ziekten zoals kanker zich verspreiden. Om dit te bestuderen, kweken onderzoekers doorgaans cellen op kunstmatige oppervlakken die de natuurlijke omgeving van het lichaam nabootsen. Twee van de meest gebruikte materialen voor deze oppervlakken zijn hydrogelen, die waterrijke gels zijn die lijken op het weefsel in ons lichaam, en elastomeren, die rubberachtige plastics zijn.

Echter, een langlopend raadsel heeft in het laboratorium voortgedurst: cellen gedragen zich anders op deze twee materialen, zelfs wanneer ze zo zijn gemaakt dat ze dezelfde gemeten stijfheid hebben. Op een zacht rubberachtig oppervlak gedragen cellen zich vaak alsof het materiaal veel stijver is dan het in werkelijkheid is, waarbij ze weigeren uit te spreiden zoals ze dat op een zachte gel zouden doen. Jarenlang vermoedden wetenschappers dat factoren zoals oppervlakte-ruwheid, porositeit of waterafstotende eigenschappen de schuld waren, maar de ware reden voor deze discrepantie bleef verborgen, waardoor er een gat ontstond in ons begrip van hoe cellen hun wereld werkelijk waarnemen.

Een team onderzoekers aan de Universiteit van Tübingen heeft nu het ontbrekende puzzelstukje ontdekt. Ze ontdekten dat de rubberachtige oppervlakken die in deze experimenten worden gebruikt, over een verborgen fysieke eigenschap beschikken genaamd interface-spanning (grensvlakspanning). Dit is een kracht die werkt langs de rand waar het vaste materiaal het vloeibare milieu ontmoet, vergelijkbaar met de spanning die je voelt op het oppervlak van een druppel water. De onderzoekers ontdekten dat de interface-spanning op zachte rubberen substraten verrassend sterk is, variërend van 10 tot 20 millinewton per meter. Deze kracht is zo aanzienlijk dat het het oppervlak effectief verstijft vanuit het perspectief van de cel. Wanneer een cel probeert tegen een zacht rubberoppervlak te duwen, stuit zij niet alleen op de zachtheid van het rubber zelf, maar ook op de extra weerstand van de interface-spanning. Het resultaat is dat de cel een oppervlak waarneemt dat veel harder is dan het rubber feitelijk is.

Om deze onzichtbare kracht te onthullen, gebruikte het team een gespecialiseerd beeldvormingsinstrument genaamd scanning ion conductance microscopy. In tegenstelling tot traditionele microscopen die een monster kunnen indrukken of platdrukken, zweeft deze techniek net boven het oppervlak en meet de elektrische stroom door een piepkleine glazen tip gevuld met vloeistof. Door de rubberoppervlakken voorzichtig te beproeven met deze methode, konden de onderzoekers meten hoeveel het materiaal vervormde onder een microscopische kracht. Ze ontdekten dat terwijl het rubber zacht aanvoelde bij metingen met grootschalige instrumenten, het opvallend stijf leek onder de minuscule tip van de microscoop. Deze discrepantie trad op omdat de interface-spanning de vervorming tegenhield, waardoor het zachte rubber aanvoelde als een veel harder materiaal.

De onderzoekers testten vervolgens of het verwijderen van deze spanning het gedrag van de cellen zou veranderen. Ze behandelden de rubberoppervlakken met een stof die bekend staat als een emulgator, die ontworpen is om de oppervlaktespanning te verlagen. Na deze behandeling daalde de interface-spanning aanzienlijk tot ongeveer 3 tot 4 millinewton per meter. Wanneer zij cellen op deze behandelde oppervlakken kweekten, veranderde het gedrag drastisch. De cellen gedroegen zich niet langer alsof het oppervlak stijf was; in plaats daarvan spreidden ze zich uit en gedroegen ze zich precies zoals ze dat op een zachte hydrogel zouden doen. Dit bevestigde dat de cellen niet reageerden op de inherente hardheid van het rubber, maar op het gecombineerde effect van die hardheid en de interface-spanning.

Door deze observaties te combineren, ontwikkelde het team een eenvoudig fysisch model om het fenomeen te verklaren. Zij bepaalden dat cellen een "effectieve stijfheid" waarnemen die de som is van de werkelijke hardheid van het materiaal en een waarde die afgeleid is van de interface-spanning. Deze relatie hangt af van een specifieke lengteschaal, die de onderzoekers berekenden op ongeveer 3 micrometer. Deze grootte komt ongeveer overeen met de schaal van de kleine ankers die cellen gebruiken om zich aan oppervlakken vast te grijpen. Het model suggereert dat wanneer een cel met een zacht materiaal interageert, zij in essentie een combinatie voelt van de bulkstijfheid van het materiaal en de spanning aan het oppervlak.

Deze ontdekking hertekent hoe wetenschappers experimenten met zachte materialen moeten interpreteren. Het verklaart waarom cellen op rubberen substraten historisch gezien anders gedrag vertoonden dan op hydrogelen, zelfs wanneer de bedoeling was dat de materialen qua stijfheid identiek waren. De studie laat zien dat interface-spanning een cruciale, maar vaak over het hoofd geziene factor is in de mechanobiologie. Voor onderzoekers betekent dit dat het simpelweg matchen van de stijfheid van een materiaal niet genoeg is; zij moeten ook rekening houden met de spanning aan het oppervlak. Door deze eigenschap te begrijpen en te controleren, kunnen wetenschappers nauwkeurigere modellen van het menselijk lichaam creëren, wat leidt tot beter inzicht in hoe cellen functioneren in gezondheid en ziekte. Het werk benadrukt dat de fysieke wereld waarin cellen leven complexer is dan een eenvoudige maatstaf van hardheid; het omvat een delicaat evenwicht van krachten die het leven op microscopisch niveau dicteren.