Mechanistic Insights into Curvature Perception: A Systematic Study on Cellular Responses to Curved Surface Topographies

Abstract

In vivo sind Zellen umgeben von einer hoch komplexen, gewebsspezifischen Mikroumgebung, die dafür bekannt ist, Zellverhalten, wie die Morphologie oder Migration, aber auch die Zellfunktion zu beeinflussen und dazu dient, gesundes Gewebe zu ermöglichen und aufrecht zu erhalten. Dabei sind nicht nur (bio-) chemische, sondern auch biophysikalische Faktoren, wie geometrische Merkmale, wichtig. In vitro, geometrische Signale beinhalten dreidimensionale physikalische Merkmale, wie Krümmungen und andere räumliche Topografien, wie Rillen- und Säulen-Strukturen. Während in der Vergangenheit die meisten Studien scharfkantige Topografien verwendeten und den Einfluss von Oberflächenparametern wie Gratbreite und Rillentiefe auf das Zellverhalten untersuchten, kamen Studien mit in vivo-ähnlichen, gekrümmten topografischen Merkmalen erst im letzten Jahrzehnt auf. Die Ergebnisse dieser Studien zeigen, dass geometrische Merkmale auf einer breiten Größenskala das Zellverhalten, wie die Zellmigration und die Organisation des Zytoskeletts, beeinflussen können. Darüber hinaus gibt es in den letzten zehn Jahren vermehrt Hinweise darauf, dass Zellen auch Krümmungen wahrnehmen und darauf reagieren können, die größer sind als sie selbst, und dass diese geometrischen Merkmale sogar Orientierungssignale im Nanomaßstab überlagern können. Die Mechanismen, die hinter der Wahrnehmung dieser Krümmungen steckt, bleibt jedoch unklar und es gibt kaum systematische Studien, die das Zellverhalten in Abhängigkeit von Krümmungsveränderungen quantifizieren. Diese Lücken adressierend, umfasst die vorliegende Arbeit zwei Teile: einen materialwissenschaftlichen Teil, mit der Entwicklung des CurvChips, einer Plattform mit verschiedenen, hochgradig definierten, gekrümmten Topografien, die von mehreren zehn Mikrometern bis zur Mesoskala reichen, sowie dem zweiten, biologischen Teil, der diese CurvChip Plattform für systematische Studien des Zellverhaltens verwendet. Ergebnisse einer dieser systematischen Untersuchungen, mit mesenchymalen Zellen auf uniaxialen, zylindrisch geformten, konvexen Oberflächenstrukturen, mit und ohne pharmakologische Manipulation des Zytoskeletts, zeigen, das sowohl das Zellverhalten als auch die Morphologie und Zellfunktionen vom gekrümmten Substrat beeinflusst werden. Ergebnisse deuten zudem darauf hin, dass Zellen einen hoch sensitiven, aber auch hoch robusten Mechanismus besitzen müssen, und diese mesenchymalen Zellen, damit Krümmungen wahrnehmen können die kleiner als 1/1500 μm-1 sind. Darüber hinaus scheint der Zellkern für die Krümmungswahrnehmung von zentraler Bedeutung zu sein. Durch die Kultivierung von gesunden und Epithelzellen aus Krebsgewebe auf mikro-sphärischen Segmenten konnte zudem gezeigt werden, dass kanzeröse Veränderung der Zellen die Wahrnehmung von Krümmungen beeinflussen könnte, genauer scheinen Krebszellen empfindlicher auf konvexe Substratkrümmungen und andere Substratparameter wie die Strukturhöhe zu reagieren. Zusammenfassend bietet die vorliegende Arbeit in einem ersten Schritt ein Modelsystem mit höchst definierten Oberflächenstrukturen, die eine systematische Variation von verschiedenen Oberflächenparametern erlaubt, den CurvChip. Dieser CurvChip wurde dann, in einem zweiten Schritt verwendet um neue Einblicke in das Zellverhalten auf gekrümmten Topographien verschiedener Größen, einschließlich des Mechanismus der Krümmungswahrnehmung, zu generieren.

“In vivo cells are surrounded by a highly complex and tissue-specific microenvironment, which is known to influence cell behavior, like cell morphology or migration, as well as cell function to generate and maintain healthy tissue. Not only (bio-) chemical factors […], but also physical cues such as geometrical cues are important signals provided by the environment.”1 In vitro, geometric cues include three dimensional physical cues like curvatures and other spatial topographies like angular grooves and pillars. While in the past the majority of studies deployed sharp edged topographies, investigating the influence of surface parameters like ridge width and groove depth on cell behavior, studies deploying in vivo-like, curved, topographical features, only emerged in the last decade. Results of these “studies show that geometrical features on a wide-ranging size scale can affect cell behavior […], such as cell spreading, migration or cytoskeletal organization”1. Moreover, in the last decade there is “growing evidence that cells can also sense and respond to curvatures, larger than themselves and that these geometrical cues can even overrule nanoscale guidance cues.” 1 However, “the mechanism by which cells perceive geometrical curvature of one to several cell sizes remains unclear and systematic studies to reveal the contact guidance response to quantitatively changing curvature are rare.” 1 Addressing these gaps, the present work comprises two main parts: the material science part, with the development of the CurvChip, a highly defined platform with various curved topographies ranging from tens of micrometer to the mesoscale, and the second, biological part, which uses this CurvChip platform to systematically study the cell response to these highly defined surfaces. Using uniaxial, cylindrically shaped convex topographies, a systematic study with mesenchymal cells with and without pharmacological manipulation of the cytoskeleton reveals that cell behavior, morphology as well as cell function are affected by the curved substrate. Results furthermore indicate that cells possess a highly sensitive and robust mechanism of curvature perception, further suggesting that cells can perceive curvatures smaller than 1/1500 μm-1 and that the nucleus might be the central organelle in curvature perception. Investigation of healthy as well as cancerous epithelial cells on micro-spherical segments indicates that cellular changes associated with cancer might affect a cells response to curvature, i.e. cancerous cells seem to be more sensitive in regard to convex substrate curvature and other substrate metrics such as structure height. In summary, in a first step this work provides a model system with highly defined surfaces and a systematic variation of surface parameters, the CurvChip. In a second step this CurvChip was used to generate new insights in cell behavior on curved topographies of various sizes, including the curvature perception mechanism of cells.

__________ 1 Exact quote from Frey et al. Curvature Perception of Mesenchymal Cells on Mesoscale Topographies. Adv. Healthcare Mater. 2025, 14, 2402865.