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Kurvige Zellformen: Eine neue Perspektive

Forschung zeigt, wie gebogene Zellformen in Geweben wirken und ihre Funktionen beeinflussen.

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Zellen in Geweben können viele Formen annehmen, und diese Formen können einen grossen Einfluss darauf haben, wie sie sich verhalten und miteinander interagieren. Die meisten Studien über Zellformen konzentrieren sich auf einfache, gerade Formen. In der Realität haben viele Zellen jedoch gewellte Kanten. Dieser Artikel untersucht einen neuen Ansatz, um diese kurvigen Zellformen zu studieren, die oft bei Pflanzen und Tieren zu sehen sind.

Zellformen und ihre Bedeutung

Zellen sind die Bausteine aller lebenden Dinge. Sie kommen in vielen Formen und Grössen, was ihnen hilft, ihre speziellen Aufgaben zu erfüllen. Zum Beispiel sehen Hautzellen, Blutkörperchen und Pflanzenzellen alle unterschiedlich aus wegen ihrer Formen. Die Form einer Zelle kann beeinflussen, wie sie wächst, sich teilt und wie sie mit anderen Zellen interagiert.

In vielen Geweben passen die Zellen eng wie Puzzlestücke zusammen. Das sieht man oft bei Zellen, die flache, gerade Kanten haben. Einige Zellen können aber auch kurvig sein, was bedeutet, dass ihre Kanten nicht gerade sind. Diese gewellten Kanten können die Art und Weise, wie Zellen kommunizieren und zusammenarbeiten, verändern. Zu verstehen, wie diese Formen funktionieren, kann uns helfen, mehr darüber zu lernen, wie Gewebe sich bilden und funktionieren.

Der traditionelle Ansatz zum Studieren von Zellformen

Die meisten Forschungen über Zellformen haben sich auf Modelle konzentriert, die nur flache, polygonale Zellen zulassen. Diese Modelle sind einfacher und leichter zu studieren, aber sie repräsentieren nicht, wie viele Zellen tatsächlich aussehen. Die traditionellen Modelle verwenden oft Formen wie Rechtecke oder Sechsecke, die sich leicht zusammenfügen, aber nicht die gesamte Bandbreite der Zellformen erfassen.

Forscher haben bemerkt, dass polygonale Formen viele Verhaltensweisen von Zellen erklären können, aber sie versagen, die Variabilität zu berücksichtigen, die in der Realität zu sehen ist. Gewellte Kanten sind eine häufige Erscheinung, insbesondere in Geweben, die unter Stress stehen oder sich entwickeln.

Was sind kurvige Zellformen?

Kurvige Zellformen sind, wenn die Kanten einer Zelle nicht gerade sind. Stattdessen erzeugen sie glatte, abgerundete Erscheinungen. Das kann aus verschiedenen Gründen passieren, einschliesslich der Art, wie Zellen wachsen, wie sie zusammengedrängt werden und wie sie auf Kräfte in ihrer Umgebung reagieren.

Wenn Zellen zum Beispiel unter Druck von umgebenden Zellen oder Geweben stehen, könnten sie ihre Form verändern und Kurven bilden, um in den verfügbaren Raum zu passen. Das ist wichtig, weil es beeinflusst, wie die Zellen interagieren und wie das Gewebe als Ganzes sich verhält.

Neuer Rahmen für das Studieren kurviger Zellen

Um diese kurvigen Zellformen zu studieren, haben Forscher einen neuen Rahmen entwickelt, der mathematische Modelle verwendet. Dieser Ansatz weicht von traditionellen Methoden ab und ermöglicht die Einbeziehung von gewellten Kanten in Zellmodellen.

Das neue Modell verwendet eine Kombination aus geraden und gebogenen Linien, um die Formen der Zellen darzustellen. Es erlaubt Wissenschaftlern, zu analysieren, wie diese kurvigen Kanten entstehen und wie sie die Zellinteraktionen beeinflussen. Mit diesem Modell können Forscher eine grössere Vielfalt von Zellformen erkunden und besser verstehen, wie diese Formen das Verhalten von Geweben beeinflussen.

Mechanismen hinter Zellformänderungen

Zellen verändern ihre Form durch eine Vielzahl von Mechanismen. Diese Mechanismen können von inneren Faktoren, wie der Struktur des Zytoskeletts der Zelle, oder äusseren Faktoren, wie physischem Stress von benachbarten Zellen, beeinflusst werden.

Das Zytoskelett ist ein Netzwerk von Fasern, das den Zellen ihre Form verleiht und ihnen hilft, sich zu bewegen. Wenn Zellen wachsen oder zusammengedrückt werden, verändert sich das Zytoskelett, was zu Veränderungen im äusseren Erscheinungsbild der Zelle führen kann.

In einigen Fällen, wenn eine Gruppe von Zellen unter Stress steht, können sie sich alle ähnlich biegen und die gewellten Kanten erzeugen, die untersucht werden. Diese Veränderungen können schnell oder über einen längeren Zeitraum hinweg erfolgen, abhängig von den Bedingungen, denen die Zellen ausgesetzt sind.

Kurvige Kanten in verschiedenen Geweben

Kurvige Kanten wurden in verschiedenen Geweben sowohl bei Pflanzen als auch bei Tieren beobachtet. Bei Pflanzen zum Beispiel kann die Art, wie Zellen gepackt werden, dazu führen, dass viele Zellen kurvige Formen entwickeln, um ihre Oberfläche zu maximieren. Das ist besonders wichtig, weil Pflanzenzellen oft starr sind aufgrund ihrer Zellwände.

In tierischen Geweben, besonders während der Entwicklung, können sich Zellen ebenfalls in kurvige Formen verformen. Während Zellen wachsen und sich teilen, müssen sie sich möglicherweise an den Raum um sie herum anpassen und diese interessanten Formen schaffen.

Die Rolle von Stress in der Zellform

Wenn Zellen Stress ausgesetzt werden, sei es durch physischen Druck oder Umweltfaktoren, können sie ihre Formen anpassen. Das bedeutet, sie können sich krümmen oder dehnen, um den Stress zu berücksichtigen. Der neue Rahmen erlaubt es Forschern, zu untersuchen, wie diese Stressbedingungen die Zellformen beeinflussen.

Zum Beispiel, wenn eine Zellgruppe anschwillt, können sich benachbarte Zellen ändern, um sich an die Veränderungen anzupassen. Diese Interaktion ist entscheidend, um zu verstehen, wie Gewebe unter verschiedenen Bedingungen gebildet und funktionieren.

Experimentelle Beobachtungen

Kürzliche Experimente haben gezeigt, dass Zellen oft kurvige Formen annehmen, wenn sie von anderen Zellen umgeben sind. Zum Beispiel können Zellen bei der Entwicklung bestimmter Organismen als einfache Formen beginnen und sich allmählich in komplexere, kurvige Formen entwickeln, während sie miteinander und mit ihrer Umgebung reagieren.

Diese Beobachtungen stehen im Einklang mit dem neuen Rahmen, der zeigt, dass die Form von Zellen nicht festgelegt ist, sondern ziemlich dynamisch sein kann, insbesondere im Kontext von Geweben.

Auswirkungen auf das Verständnis von Geweben

Zu verstehen, wie sich Zellformen ändern und wie sie miteinander in Beziehung stehen, kann erhebliche Auswirkungen auf die Biologie und Medizin haben. Bessere Modelle können zu verbesserten Erkenntnissen darüber führen, wie Gewebe sich entwickeln und wie sie in Krankheitssituationen möglicherweise nicht richtig funktionieren.

Wenn Forscher besser vorhersagen können, wie Zellen unter bestimmten Bedingungen agieren, könnten sie Behandlungsmöglichkeiten für verschiedene Erkrankungen entwickeln, bei denen die Zellform und -funktion entscheidend sind, wie etwa Krebs oder Wundheilung.

Fazit

Die Einführung eines Modells, das kurvige Zellformen berücksichtigt, stellt einen bedeutenden Wandel dar, wie Wissenschaftler Gewebe studieren. Indem sie anerkennen, dass Zellen oft gewellte Kanten haben und dass diese Formen das Verhalten beeinflussen können, können Forscher tiefere Einblicke in die Biologie lebender Organismen gewinnen.

Dieses neue Verständnis kann eine Vielzahl von Bereichen beeinflussen, von der Entwicklungsbiologie bis zur medizinischen Forschung. Indem wir weiterhin diese dynamischen Formen studieren, können wir mehr darüber herausfinden, wie das Leben auf zellulärer Ebene funktioniert.

Originalquelle

Titel: A two-dimensional vertex model for curvy cell-cell interfaces at the subcellular scale

Zusammenfassung: Cross-sections of cell shapes in a tissue monolayer typically resemble a tiling of convex polygons. Yet, examples exist where the polygons are not convex with curved cell-cell interfaces, as seen in the adaxial epidermis. To date, two-dimensional vertex models predicting the structure and mechanics of cell monolayers have been mostly limited to convex polygons. To overcome this limitation, we introduce a framework to study curvy cell-cell interfaces at the subcellular scale within vertex models by using a parameterized curve between vertices that is expanded in a Fourier series and whose coefficients represent additional degrees of freedom. This extension to non-convex polygons allows for cells with same shape index, or dimensionless perimeter, to be, for example, either elongated or globular with lobes. In the presence of applied, anisotropic stresses, we find that local, subcellular curvature, or buckling, can be energetically more favorable than larger scale deformations involving groups of cells. Inspired by recent experiments, we also find that local, subcellular curvature at cell-cell interfaces emerges in a group of cells in response to the swelling of additional cells surrounding the group. Our framework, therefore, can account for a wider array of multi-cellular responses to constraints in the tissue environment.

Autoren: Kyungeun Kim, J. M. Schwarz, Martine Ben Amar

Letzte Aktualisierung: 2024-06-18 00:00:00

Sprache: English

Quell-URL: https://arxiv.org/abs/2403.14417

Quell-PDF: https://arxiv.org/pdf/2403.14417

Lizenz: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/

Änderungen: Diese Zusammenfassung wurde mit Unterstützung von AI erstellt und kann Ungenauigkeiten enthalten. Genaue Informationen entnehmen Sie bitte den hier verlinkten Originaldokumenten.

Vielen Dank an arxiv für die Nutzung seiner Open-Access-Interoperabilität.

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