Hoe cellen praten door te trekken aan een vezelnetwerk
Mechanica speelt een grotere rol in bloedvatvorming, en andere ontwikkelingsbiologie, dan lang gedacht. Cellen blijken te reageren op mechanische signalen, zoals druk. Via de extracellulaire matrix, een netwerk van vezelachtige eiwitten, zouden cellen die mechanische signalen over grote afstanden kunnen uitwisselen. Om beter te begrijpen hoe cellen en matrix elkaar beïnvloeden, hebben onderzoekers van het Leidse Mathematisch Instituut (MI) en het Instituut Biologie Leiden (IBL) een simulatiemodel ontwikkeld.
Onder meer bij wondgenezing en tumorgroei speelt de vorming van kleine bloedvaten een rol. De cellen die deze nieuwe bloedvaten gaan vormen moeten elkaar over relatief grote afstanden kunnen vinden. Nieuw onderzoek wijst erop dat cellen hiervoor mechanische signalen uitwisselen. Hierbij speelt de extracellulaire matrix een rol.
Een onderzoeksgroep van Leidse wiskundigen en biologen, onder leiding van hoogleraar Roeland Merks introduceert in het vakblad Biophysical Journal een nieuw computermodel om de wisselwerking tussen cellen en de extracellulaire matrix te berekenen.
Een soort lijm tussen de cellen
‘De extracellulaire matrix is een soort lijm tussen de cellen die bestaat uit langgerekte, vezelachtige eiwitten, afgescheiden door de cellen’, vertelt Merks. Dit vezelnetwerk vind je in weefsels van dieren en mensen, maar soortgelijke vezelnetwerken zitten ook in de celwanden van plantencellen, waar ze onder meer bestaan uit cellulose. Het geeft structuur en stevigheid. Het netwerk kan ook mechanische signalen doorgeven doordat cellen trekken of duwen aan vezels wat een verandering verderop in de matrix veroorzaakt. Andere cellen reageren op die vervorming waardoor ze weten welke kant ze op moeten om bijvoorbeeld samen bloedvaten te vormen.
Om dit proces beter te begrijpen, ontwikkelden de onderzoekers een simulatiemodel. ‘We werken al langer met het zogeheten cellulaire Pottsmodel’, vertelt Merks. Dit dertig jaar oude model beschrijft de beweging en het gedrag van cellen en celvervorming door krachten van buitenaf. ‘Wat ontbrak was een goede weergave van de extracellulaire matrix, terwijl we weten dat die belangrijk is.’
Chemie en wiskunde samenbrengen
Om het beeld completer te maken, heeft wiskundige Bente Hilde Bakker het Pottsmodel gecombineerd met een berekeningsmethode uit de chemie die de vezels en onderlinge verbindingen van de extracellulaire matrix kan beschrijven.
Die twee samenbrengen was niet eenvoudig. ‘De oplossing is geïnspireerd op wat we bij echte cellen zien’, zegt bioloog Erika Tsingos, die het nieuwe, gecombineerde model heeft getest en vergeleken met experimenten. ‘Cellen maken contact met het vezelnetwerk via eiwitten op hun membraan. Je kunt het zien als kleine handjes die vezels kunnen vastgrijpen en eraan kunnen duwen en trekken.’ Dat bootsen ze na door digitale celmembranen en vezels op punten waar ze overlappen te koppelen. Het vezelmodel registreert vervolgens op dat punt een kracht als de cel samentrekt. Die kracht verspreidt zich via de verbindingen door het netwerk.
Bloedvatvorming beter begrijpen
Met dit nieuwe model simuleerde Tsingos onder meer hoe de hoeveelheid onderlinge verbindingen tussen de vezels bepalen hoe het netwerk reageert als een cel samentrekt. Bij veel onderlinge verbindingen bleek de matrix tot op enkele cellengtes afstand van vorm te veranderen. ‘Dat komt overeen met de langeafstandseffecten die we in experimenten met echte cellen zien’, zegt Tsingos. ‘Onze simulaties lijken dus overeen te komen met biologische systemen.’
‘We hebben aangetoond dat de techniek werkt’, zegt Merks. ‘De volgende stap is het nieuwe computermodel gebruiken om processen waarbij de extracellulaire matrix een rol speelt, zoals bloedvatvorming, beter te begrijpen.’
De publicatie Hybrid cellular Potts and bead-spring modeling of cells in fibrous extracellular matrix verscheen op de cover van Biophysics Journal.
Afbeeldingen: Universiteit Leiden
Tekst: Dorine Schenk