Direkte Visualisierung von Struktur und Dynamik des Aktinzytoskeletts in invasiven Melanomzellen

Tumorinvasion wie auch Absiedlung in sekundären Organen erfordert die Aktivität des Aktin-Zytoskeletts gekoppelt an Kontraktilität und Zelladhäsion and extrazelluläre Matrix (ECM). Während die Aktindynamik auf 2D Substraten gut untersucht ist, ist die Aktindynamik in 3D Geweben unbekannt. Für invasive B16/F1 Melanomzellen, die fluoreszentes GFP-Aktin exprimieren, wurden die Zellform, Art und Effizienz der Bewegung und die zugrunde liegende Zytoskelettdynamik in unterschiedlich strukturierten 2D und 3D kollagenösen Umgebungen systematisch mittels Zeitraffer-Videomikroskopie und Konfokalmikroskopie untersucht. (1) Auf 2D monomerer Kollagenoberfläche erfolgte die bekannte Adhäsion und Abflachung der Zellen (Spreading) mit nachfolgender Polarisation und Ausbildung einer kontinuierlichen Lamelle an der Vorderfront. Dagegen entwickelte sich (2) in 3D Kollagenmatrices eine spindelförmige fibroblastenähnliche Zellform (mesenchymal) mit zylindrischen fingerähnlichen Filopodien an der Spitze eines dicken Pseudopods, die hochdynamisches polymerisiertes Aktin enthielten und im parallelen Kontakt mit den Kollagenfasern wie an einem Seil den Zug der Zelle nach vorn bewirkten. Die Zellen wanderten innerhalb der 3D Kollagenmatrix nach einem zweiphasigen Prinzip mit beginnendem Pseudopodwachstum und daraus resultierender Zelldehnung bis zu einer optimalen Zelllänge und anschließender Migration, bei der die Kollagenfasern sowohl an der Vorderfront als auch am Hinterende deformiert wurden (oszillierende Kontraktions-Relaxations-Zyklen). Ein „Hybrid“ aus komplexer, vielgestaltiger, dendritischer mit multiplen Filopodien ohne kontinuierlichen Lamellipod entwickelte sich (3) auf 2D fibrillärem Kollagen. Die Migrationseffizienz auf oder in fibrillären Matrices war im Vergleich zu 2D kollagenbeschichteter Oberfläche stark eingeschränkt, somit ermöglichen 2D nicht-fibrilläre Modelle, methodisch bedingt, besonders günstige Bedingungen für effiziente Migration. Alle Aktin-vermittelten Prozesse waren in Inhibitonsversuchen mit Cytochalasin D, Latrunculin B oder Jasplakinolide vollständig hemmbar, was für 2D und 3D Modelle die komplette Abhängigkeit der Zellbewegung vom Aktinzytoskelett belegt und passive Translokation ausschließt. Die Zytoskelettdynamik in Tumorzellen für 2D und 3D Gewebe zeigt, wie sehr Aktinstruktur und -dynamik sowie der Migrationstyp durch die Biophysik der umgebenden Struktur bestimmt werden.