Van vormend embryo tot kankeruitzaaiing: het belang van collectieve celbeweging
Tegen alle verwachtingen in gedraagt het meest voorkomende weefsel in ons lichaam zich anders op verschillende lengteschalen. Dat ontdekte natuurkundige Luca Giomi in zijn onderzoek naar de stroming van cellen. ‘Onze resultaten zijn nog interessanter dan we hadden gehoopt.’
Hetzelfde proces dat ervoor zorgt dat cellen in een embryo naar de juiste locatie verplaatsen om je ruggengraat of hart te worden, zit ook achter kankeruitzaaiing: de collectieve beweging van cellen in het epitheel. Duidelijk iets wat we beter moeten begrijpen, aldus Giomi. ‘Deze cellen bewegen collectief, net zoals een zwerm vogels. Maar ze hebben geen ogen of geheugen, dus hoe is dat mogelijk? Dat is wat we willen begrijpen.’
Wat is het epitheel?
Het epitheel, of dekweefsel, is een enkele laag cellen die alle organen bedekt. Het moet veel functies vervullen. Giomi illustreert dit met de buitenste laag van je huid, ook epitheelweefsel. Als je eraan trekt, veert het terug naar zijn oorspronkelijke vorm, zoals een vast materiaal. Maar als je een wond hebt, stromen de cellen daarheen om het te bedekken. Net als een vloeistof. De fase blijkt iets ertussenin te zijn, vertelt Giomi. ‘We realiseren ons nu dat er een heel continuüm tussen vaste en vloeibare toestanden is. Al begrijpen we die tussenliggende fases nog niet helemaal.’
De verborgen structuur van epitheelweefsel
Als natuurkundige heeft Giomi een mechanische benadering. Vanuit dit perspectief hebben cellen slechts twee gereedschappen tot hun beschikking, legt hij uit. ‘Ten eerste kunnen ze krachten op elkaar uitoefenen. Ze kunnen hun buurcellen duwen of trekken. En ten tweede hebben ze een bepaalde vorm. De vorm van de cellen bepaalt de structuur in het weefsel. Er is een nauw verband tussen deze structuur en de mechanische krachten die de cellen in beweging brengen.’
Daarom bestudeerde de onderzoeker de oriëntatie van de bewegende cellen. ‘Op het eerste gezicht is er niet veel structuur zichtbaar in de cellen, dus je zou misschien verwachten dat hun beweging willekeurig is. Maar ze zijn ongeveer zeshoekig (hexagonaal), dus probeerden we het weefsel te beschrijven als een vloeistof gemaakt van zeshoeken die langs zes assen kunnen bewegen. Dit werkte op een kleine schaal, maar er ontbrak iets. Er was een andere, verborgen structuur. We realiseerden ons dat de beweging op grotere schalen een draadvormige structuur volgt. Als een vloeistof van staafjes. Op een bepaalde lengteschaal is er een overgang van de hexatische structuur naar wat we een nematische fase noemen. Met andere woorden, de structuur hangt af van de schaal waar je naar kijkt.’
Visualisatie schaalovergang: een nieuw patroon wordt onthuld als je uitzoomt
Vanwege de gekozen cookie-instellingen kunnen we deze video hier niet tonen.
Bekijk de video op de oorspronkelijke website ofDe theorie bevestigen in het lab
Giomi is theoretisch natuurkundige. Daarom wendde hij zich tot zijn experimentele collega's om zijn ideeën te verifiëren. ‘Op dit punt was het allemaal alleen nog maar een wiskundige theorie. Ik dacht eigenlijk dat het niet eens mogelijk was om het in het lab te bevestigen. Je moet wel heel veel geluk hebben om het overgangspunt te kunnen zien op de schaal van je monsters’, merkt Giomi op. ‘Maar we zagen de overgang wel degelijk, op een schaal van ongeveer twintig à dertig cellen. We hadden inderdaad geluk!’
'Als we uitzaaiing begrijpen, kunnen we misschien voorspellen hoe kankercellen zich zullen verspreiden.'
De groep van Thomas Schmidt voerde samen met een groep in Parijs experimenten uit om de afhankelijkheden van het overgangspunt te begrijpen. Bijvoorbeeld de invloed van materiaaleigenschappen zoals celdichtheid of het type substraat. Giomi is erg blij met de voortgang. ‘Onze theorie is niet alleen bevestigd, maar we beginnen dankzij deze experimenten ook al de nuances te begrijpen in verschillende situaties.’
Wat betekent dit voor de gezondheidszorg?
Hoewel hij zelf niet aan toepassingen werkt, ziet Giomi wel potentiële voordelen voor de gezondheidszorg. ‘We kunnen veel leren als we gezonde en beschadigde weefsels vergelijken. Ik zie vooral een diagnostisch doel voor de behandeling van kanker. Kankercellen bewegen ongecontroleerd en daarom zijn de basiswetten van de natuurkunde en mechanica de beste manier om hun gedrag te voorspellen. Als we uitzaaiing begrijpen, kunnen we misschien een paar dagen van tevoren voorspellen hoe kankercellen zich zullen verspreiden. Of nog fascinerender, we zouden het misschien zelfs kunnen vertragen. Begrijp me niet verkeerd, dit is nog puur hypothetisch. Maar ik heb goede hoop dat het ooit zover komt.’
- Giomi's theorische werk is gepubliceerd in Nature Physics: Epithelia are multiscale active liquid crystals
- Schmidt's experimentele onderzoek is gepubliceerd in Nature Communications: Hexanematic crossover in epithelial monolayers depends on cell adhesion and cell density
Tekst door Michelle Willebrands