4.4: Einführung in die Zellmotilität und -migration

Die Zellmotilität ist für viele physiologische und pathologische Prozesse erforderlich, einschließlich der Zellmigration während der Embryonalentwicklung, der Bewegung weißer Blutkörperchen als Reaktion auf eine Infektion und der Metastasierung von Krebszellen. Zwei zelluläre Proteine, Aktin und Myosin, bilden die Hauptbausteine des Motilitätsapparates.

In diesem Einführungsvideo werden wir einige der bahnbrechenden Entdeckungen auf dem Gebiet der Zellmotilität und -migration überprüfen. Dann werden wir einige unbeantwortete Fragen zur Zellmotilität beleuchten, gefolgt von einer Diskussion über klassische und fortgeschrittene Werkzeuge, die zur Untersuchung der Motilität verwendet werden. Zum Schluss kommen noch einige Beispielexperimente.

Beginnen wir mit einem Blick auf die wichtigen Entdeckungen, die mit diesem Bereich verbunden sind.

Im 17. Jahrhundert war Anton van Leeuwenhoek der erste, der mit Hilfe eines Mikroskops die Bewegung von Spermien und Bakterien beobachtete. Ein paar Jahrhunderte später entdeckten Theodor Wilhelm Engelmann und Wilhelm Pfeffer die stimulusgesteuerte bakterielle Bewegung, darunter: Phototaxis, d. h. Bewegung, die durch Licht beeinflusst wird; Chemotaxis: Bewegung in Richtung verschiedener chemischer Substanzen; und Aerotaxis, die sich als Reaktion auf Sauerstoff bewegen. Etwa zur gleichen Zeit führte Ilya Metchnikoff ein faszinierendes Experiment durch, bei dem er die durchsichtige Seesternlarve mit einem Rosendorn stach und beobachtete, wie sich Zellen von anderen Körperteilen zur Wunde bewegten. Dies führte zu der Vorstellung, dass Leukozyten an eine Verletzungsstelle wandern, und leistete damit Pionierarbeit auf dem Gebiet der Immunologie.

Das Verständnis des Mechanismus der Zellbewegung begann einige Jahre zuvor, als ein scheinbar nicht verwandtes Phänomen untersucht wurde: die Muskelkontraktion. Im Jahr 1859 isolierte Wilhelm K?hne ein Muskelprotein, von dem er annahm, dass es für seine Steifheit verantwortlich war, und nannte es Myosin.

Im Jahr 1942 hatte Brun? Ferenc Straub entdeckte, dass das "Myosin" Präparate enthielten tatsächlich ein sekundäres Protein, Aktin. Wir wissen heute, dass Aktin und Myosin interagieren, um den Aktomyosin-Komplex zu bilden, der eine Kontraktion hervorruft. Im Jahr 1974 charakterisierte Margaret Clarke, als sie unter James Spudich arbeitete, Aktomyosin-ähnliche Strukturen in dem Schleimpilz Dictyostelium und schlug seine Beteiligung an der Bewegung von Nicht-Muskelzellen vor.

1983 entwickelte Spudich zusammen mit Michael Sheetz ein In-vitro-Aktomyosin-Modell, das den Weg zu unserem heutigen Verständnis ihres Mechanismus ebnete. Wir wissen jetzt, dass ATP, ein "hochenergetisches" Molekül in Zellen, bindet an Myosin und treibt das Myosinmolekül zum "Kriechen" an. entlang eines parallelen Aktinmoleküls und erzeugt dadurch eine kontraktile Kraft, die in Nicht-Muskelzellen die Zelle während der Migration nach vorne ziehen kann.

Nach dem kurzen historischen Abriss wollen wir einige Fragen zur Zellmotilität diskutieren, die sich Wissenschaftler heute stellen.

Die Forscher sind daran interessiert zu erfahren, wie Umwelteinflüsse die Zellbewegung steuern. Zellen bewegen sich als Reaktion auf eine Vielzahl von Signalen, einschließlich solcher, die die Embryonalentwicklung vorantreiben oder Immunzellen auf Infektionsherde aufmerksam machen. Bei diesen Signalen handelt es sich in der Regel um chemische Verbindungen, die von einigen Zellen freigesetzt werden, um die Migration eines bestimmten Zelltyps zu ihnen zu induzieren. Daher kann die Untersuchung des Mechanismus dieser Chemotaxis-Induktion den Wissenschaftlern helfen, die Störungen, bei denen die Zellmigration gestört ist, besser zu verstehen.

Ein weiteres wichtiges Forschungsgebiet betrifft die molekulare Maschinerie, mit der sich Zellen fortbewegen. Neben dem Aktomyosin-Apparat, der es Zellen mit flexiblen Formen ermöglicht, Vorsprünge zu verlängern und zu "kriechen" Entlang von Oberflächen versuchen die Forscher auch zu verstehen, wie die Zellmotilität durch andere Elemente des Zytoskeletts gesteuert werden kann, wie z. B. die Mikrotubuli, die den "Schacht" bilden. von Spermienschwänzen sowie die komplexen molekularen Maschinen, die bakterielle Flagellen bilden.

Schließlich erforschen einige Wissenschaftler, wie Zellen miteinander interagieren und in Gruppen zusammenwandern, was in der frühen Embryogenese geschieht, sowie den Wundheilungsprozess.

Da Zellen im Körper tatsächlich in einem Netz von Molekülen existieren, die als extrazelluläre Matrix, abgekürzt als EZM, bekannt sind, kann die Untersuchung, wie Zellen mit der EZM interagieren und in sie eindringen, zum Verständnis von Phänomenen wie Krebsmetastasen beitragen.

Nun, da wir eine Vorstellung von den Fragen haben, die in diesem Bereich gestellt werden, wollen wir uns mit einigen prominenten Techniken vertraut machen, die eingesetzt werden.

Der Scratch-Assay wird verwendet, um zu modellieren, wie Epithelzellen einen offenen Bereich wieder besiedeln – ein Prozess, der der Wundheilung ähnelt. Bei diesem Verfahren wird eine Wunde erzeugt, indem eine Pipettenspitze durch die Zellkulturschale geführt wird. Wenn Zellen im Laufe der Zeit in diese Lücke zurückwachsen, könnten ihre Bewegungsbahnen mit Hilfe von Tracking-Software verfolgt werden, um die Bewegungsgeschwindigkeit und -verschiebung zu bewerten.

Der Transwell-Migrationsassay ist eine weitere klassische Methode zur Untersuchung der Chemoattraktion, d. h. des Prozesses der chemischen Anziehung von Zellen. In diesem Assay wird Chemolockstofflösung in die Vertiefungen gegeben, dann werden die Transwell-Kammern in diese Vertiefungen gelegt, und schließlich wird ein wandernder Zelltyp auf der Oberseite der Membran hinzugefügt. Die Anzahl der Zellen, die in Richtung des Chemolockstoffs wandern, kann mit einem Mikroskop und einem Hämozytometer gezählt werden.

Fortschritte in den technischen Techniken haben die Konstruktion von Mikrofluidik-Geräten ermöglicht, die aus mikrofabrizierten Kanälen bestehen, die auf eine geeignete Oberfläche geätzt sind. Für Migrationsexperimente hat der Kanal in der Regel zwei Anschlüsse: einen für die Zugabe einer Zellsuspension und einen für die Zugabe eines chemischen Stimulus. Die Wirkung des Stimulus auf die Zellen? Das Zugverhalten kann dann unter dem Mikroskop untersucht werden.

Um die Invasion von Zellen in die EZM zu untersuchen, können Forscher 3D-Invasionsassays durchführen. Bei dieser Methode kultivieren die Wissenschaftler Zellen in dreidimensionalen Matrizen, die aus Bestandteilen wie Kollagen bestehen. Dann können sie mit Hilfe einer ausgeklügelten Software die Invasion in drei Dimensionen verfolgen. Diese Methode ist besonders nützlich für die Untersuchung der Tumorentwicklung.

Schließlich kann die Zeitraffer-Fluoreszenzmikroskopie verwendet werden, um lebende Zellen in vivo zu verfolgen. Gene, die für fluoreszierende Proteine kodieren, können in ein Tiermodell eingeführt werden. Der Migrationsweg der Zellen, die nun fluoreszierende Proteine exprimieren, kann mit ausgefeilten bildgebenden Verfahren wie der Zwei-Photonen-Mikroskopie verfolgt werden.

Schauen wir uns nun einige aktuelle Anwendungen dieser Zellmotilitäts- und Migrationsassays an.

Wie bereits erwähnt, spielt die Zellmigration eine entscheidende Rolle bei der Metastasierung von Tumoren. Hier kultivierten die Wissenschaftler Tumorzellen, die in eine Matrix eingebettet waren, zusammen mit Hirnschnitten in einer Transwell-Kammer. Nach der Inkubation wurden die Proben gefärbt und mittels Immunfluoreszenz analysiert. Die Ergebnisse zeigten eine Invasion von Tumorzellen in die Hirnschnitte.

Nach der Infektion setzen die Zellen Chemokine frei, bei denen es sich um chemoanziehende Proteine handelt, die die Migration von Neutrophilen induzieren. Neutrophile sind phagozytäre Zellen, die einen integralen Bestandteil des angeborenen Immunsystems bilden. Hier untersuchten die Forscher dieses Phänomen mit Hilfe eines Transwell-Migrationsassays. Sie plattierten bakterieninfizierte Epithelzellen auf die Unterseite der Membran, während Neutrophile auf der Oberseite kultiviert wurden. Die Ergebnisse zeigten eine signifikante Migration von Neutrophilen in Gegenwart infizierter Zellen.

Schließlich können mikrofluidische Kammer-Assays verwendet werden, um die bakterielle Chemotaxis zu untersuchen. Hier bewerteten die Wissenschaftler die Lockstoff- und Abstoßungseigenschaften von zwei Substanzen? L-Aspartat und Nickelsulfat unter Verwendung einer speziellen mikrofluidischen Kammer, die mehrere Konzentrationen in einem Experiment testen konnte. Die gewonnenen Daten zeigten, dass mit zunehmender Konzentration von Lockstoffen und Repellentien auch die bakterielle Migration zu und von den Testmolekülen weg zunahm.

Sie haben gerade die Einführung von JoVE in die Zellmotilität und -migration gesehen. In dieser Präsentation haben wir die wichtigsten Meilensteine in der Erforschung der Zellmotilität und -migration überprüft. Als Nächstes diskutierten wir einige aktuelle Fragen und Tools, die heute in Laboren verwendet werden. Schließlich zeigten einige Beispielexperimente die Anwendungen dieser Techniken auf. Wie immer vielen Dank fürs Zuschauen!