Cellen stimuleren groeirichting door eigen kracht

Tijdens de groei van embryo’s richten cellen zich naar krachten uit het omliggende weefsel. Deze krachten ontstaan door verschillen in groeisnelheden, spiercontracties of de zwaartekracht. Wiskundigen van het Centrum Wiskunde & Informatica (CWI) in Amsterdam toonden voor het eerst aan dat het actief samentrekken van de cel deze heroriëntatie van cellen kan versnellen en vergemakkelijken. Hun onderzoek verscheen onlangs in het toonaangevende tijdschrift Biophysical Journal (112).

Tijdens de groei van embryo’s richten cellen zich naar krachten uit het omliggende weefsel. Deze krachten ontstaan door verschillen in groeisnelheden, spiercontracties of de zwaartekracht. Onderzoekers van het Centrum Wiskunde & Informatica (CWI) in Amsterdam toonden voor het eerst met een wiskundig model aan dat het actief samentrekken van de cel deze heroriëntatie van cellen kan versnellen en vergemakkelijken. De kracht die de cel zelf uitoefent kan ook de vorming van vezelstructuren van cellen in de richting van de rek makkelijker maken. Hun simulaties voorspellen dat het samenspel tussen de in- en externe krachten het verschil kan maken tussen de ontwikkeling van bijvoorbeeld spierachtige weefsels of vaatnetwerken. Het onderzoek verscheen onlangs in het toonaangevende tijdschrift Biophysical Journal (112).

Promovenda Lisanne Rens zegt: “Na een eerste celdeling ontstaan er weefsels, zoals bot en bloedvaten, of organen, zoals een hart en longen. Maar hoe weten die cellen precies waar er longcellen moeten komen, met een heel ander gedrag dan hartcellen? Voor een deel zit dat in de genen, maar fysieke krachten spelen ook een rol. Wij willen begrijpen waardoor cellen zich bewegen en gaan groeien in de richting van rekkrachten uit hun omgeving.”

Ze vervolgt: “Wij hebben een hybride computermodel ontwikkeld, dat is gebaseerd op het ‘Cellular Potts Model’ waarmee we de cellen beschrijven en dat we hebben gekoppeld aan een ‘eindig-elementen’ model dat de gelatineachtige omgeving beschrijft waarin de cellen leven: de ‘matrix’. Wij simuleren daarmee zowel de rekkrachten van de omgeving én de krachten die de cellen zélf uitoefenen. De cellen reageren niet alleen passief op de externe kracht maar ze kunnen ook actief reageren.   ”

Tissue engineering
De ontwikkelde wiskundige technieken en inzichten kunnen worden toegepast bij het ontwerp van kunstmatige weefsels (tissue engineering) zoals organen, huid of bij toepassingen zoals kweekvlees. Het onderzoek is uitgevoerd in de Life Sciences groep van het Centrum Wiskunde & Informatica (CWI) in Amsterdam en het is gefinancierd door het NWO Vidi-project van prof. Roeland Merks (CWI  en Universiteit Leiden). SURFsara hielp met de rekencapaciteit.

====

Meer informatie:
Het artikel ‘Cell Contractility Facilitates Alignment of Cells and Tissues to Static Uniaxial Stretch’ door Elisabeth G. Rens (CWI) en Roeland M.H. Merks (CWI en UL) verscheen in Biophysical Journal, Volume 112, Issue 4, 28 February 2017, pp. 755-766. Zie ook: http://dx.doi.org/10.1016/j.bpj.2016.12.012 of https://arxiv.org/abs/1605.03987 (open access).