4.4: Introducción sobre la motilidad celular y la migración

La motilidad celular es necesaria para muchos procesos fisiológicos y patológicos, incluida la migración celular durante el desarrollo embrionario, el movimiento de los glóbulos blancos en respuesta a una infección y las células cancerosas en metástasis. Dos proteínas celulares, la actina y la miosina, forman los principales componentes del aparato de motilidad.

En este vídeo introductorio, repasaremos algunos de los descubrimientos más importantes en el campo de la motilidad y la migración celular. A continuación, destacaremos algunas preguntas sin respuesta sobre la motilidad celular, seguidas de una discusión de las herramientas clásicas y avanzadas utilizadas para estudiar la motilidad. Finalmente, terminaremos con algunos ejemplos de experimentos.

Empecemos por ver los descubrimientos importantes asociados a este campo.

En el siglo XVII, Anton van Leeuwenhoek, con la ayuda de un microscopio, se convirtió en la primera persona en observar el movimiento de los espermatozoides y las bacterias. Un par de siglos más tarde, Theodor Wilhelm Engelmann y Wilhelm Pfeffer descubrieron el movimiento bacteriano impulsado por estímulos, que incluye: la fototaxis, que es el movimiento influenciado por la luz; quimiotaxis: movimiento hacia diversas sustancias químicas; y el movimiento de la aerotaxis en respuesta al oxígeno. Casi al mismo tiempo, Ilya Metchnikoff realizó un experimento fascinante en el que pinchó la larva transparente de la estrella de mar con una espina de rosa y observó que las células se movían desde otras partes del cuerpo hasta la herida. Esto llevó a la noción de que los leucocitos migran a un sitio de lesión, siendo pioneros en el campo de la inmunología.

La comprensión del mecanismo del movimiento celular comenzó unos años antes, cuando se estudió un fenómeno aparentemente no relacionado: la contracción muscular. En 1859, Wilhelm Köhne aisló una proteína muscular que pensó que era responsable de su rigidez, y la llamó miosina.

En 1942, Brun? Ferenc Straub descubrió que la ?miosina? En realidad, las preparaciones contenían una proteína secundaria, la actina. Ahora sabemos que la actina y la miosina interactúan para formar el complejo actomiosina, que produce la contracción. En 1974, Margaret Clarke, mientras trabajaba bajo la dirección de James Spudich, caracterizó estructuras similares a la actomiosina en el moho limoso Dictyostelium, y sugirió su participación en el movimiento de células no musculares.

En 1983, Spudich, junto con Michael Sheetz, desarrolló un modelo de actomiosina in vitro, que allanó el camino para nuestra comprensión actual de su mecanismo. Ahora sabemos que el ATP, un producto de ?alta energía? molécula en las células, se une a la miosina y potencia la molécula de miosina para ?arrastrarse? a lo largo de una molécula paralela de actina, generando así una fuerza contráctil que en las células no musculares puede tirar de la célula hacia adelante durante la migración.

Después de un breve esbozo histórico, analicemos algunas preguntas sobre la motilidad celular que los científicos se hacen hoy en día.

Los investigadores están interesados en aprender cómo las señales ambientales dirigen el movimiento de las células. Las células se mueven en respuesta a una variedad de señales, incluidas las que impulsan el desarrollo embrionario o alertan a las células inmunitarias sobre los sitios de infección. Estas señales suelen ser compuestos químicos liberados por algunas células para inducir la migración de un tipo específico de células hacia ellas. Por lo tanto, estudiar el mecanismo de esta inducción de quimiotaxis puede ayudar a los científicos a comprender mejor los trastornos en los que se interrumpe la migración celular.

Otra área importante de investigación se refiere a la maquinaria molecular que utilizan las células para moverse. Además del aparato de actomiosina que permite que las células con formas flexibles extiendan las protuberancias y ?gateen? A lo largo de las superficies, los investigadores también buscan comprender cómo la motilidad celular puede ser impulsada por otros elementos del citoesqueleto, como los microtúbulos que forman el ?eje? de las colas de los espermatozoides, así como de las complejas máquinas moleculares que forman los flagelos bacterianos.

Por último, algunos científicos exploran cómo las células interactúan entre sí y migran juntas en grupos, lo que ocurre en la embriogénesis temprana, así como en el proceso de cicatrización de heridas.

Además, debido a que las células del cuerpo existen realmente dentro de una malla de moléculas conocida como matriz extracelular, abreviada como MEC, investigar cómo las células interactúan e invaden la MEC puede ayudar a comprender fenómenos como la metástasis del cáncer.

Ahora que tenemos una idea de las preguntas que se hacen en el campo, aprendamos sobre algunas técnicas destacadas que se emplean.

El ensayo de rasguño se utiliza para modelar cómo las células epiteliales repueblan un área abierta, un proceso similar a la cicatrización de heridas. En este procedimiento, se crea una herida pasando la punta de una pipeta a través de la placa de cultivo celular. A medida que las células vuelven a crecer en esta brecha con el tiempo, sus trayectorias de movimiento podrían rastrearse utilizando software de seguimiento para evaluar la velocidad de movimiento y el desplazamiento.

El ensayo de migración transpocillo es otro método clásico utilizado para estudiar la quimioatracción, que es el proceso de atraer químicamente las células. En este ensayo, se agrega una solución quimioatrayente a los pocillos, luego se colocan las cámaras transpocillos dentro de estos pocillos y, finalmente, se agrega un tipo de célula migratoria en la parte superior de la membrana. El número de células que migran hacia el quimioatrayente se puede contar utilizando un microscopio y un hemocitómetro.

Los avances en las técnicas de ingeniería han permitido la construcción de dispositivos microfluídicos, compuestos por canales microfabricados grabados en una superficie adecuada. Para los experimentos de migración, el canal suele tener dos puertos: uno para la adición de una suspensión celular y otro para la adición de un estímulo químico. ¿El efecto del estímulo en las células? El comportamiento migratorio puede ser estudiado bajo un microscopio.

Para estudiar la invasión de células en la MEC, los investigadores pueden realizar ensayos de invasión en 3D. En este método, los científicos cultivan células en matrices tridimensionales hechas de componentes como el colágeno. Luego, con la ayuda de un software sofisticado, pueden rastrear la invasión en tres dimensiones. Este método es particularmente útil para estudiar el desarrollo de tumores.

Por último, la microscopía de fluorescencia time-lapse puede utilizar para rastrear células vivas in vivo. Los genes que codifican proteínas fluorescentes pueden introducirse en un modelo animal. La ruta migratoria de las células que ahora expresan proteínas fluorescentes se puede rastrear utilizando métodos de imagen sofisticados, como la microscopía de dos fotones.

Ahora, examinemos algunas aplicaciones actuales de estos ensayos de motilidad y migración celular.

Como se ha comentado, la migración celular desempeña un papel fundamental en la metástasis tumoral. Aquí, los científicos cultivaron células tumorales incrustadas en una matriz junto con cortes de cerebro en una cámara de transpocillos. Después de la incubación, las muestras se tiñeron y se analizaron mediante inmunofluorescencia. Los resultados demostraron la invasión de las células tumorales en los cortes de cerebro.

Después de la infección, las células liberan quimiocinas, que son proteínas quimioatrayentes que inducen la migración de neutrófilos. Los neutrófilos son células fagocíticas, que forman una parte integral del sistema inmunitario innato. Aquí, los investigadores evaluaron este fenómeno utilizando un ensayo de migración transpozo. Colocaron células epiteliales infectadas con bacterias en la parte inferior de la membrana, mientras que los neutrófilos se cultivaron en la parte superior. Los resultados mostraron una migración significativa de neutrófilos en presencia de células infectadas.

Por último, los ensayos de cámara microfluídica pueden utilizarse para examinar la quimiotaxis bacteriana. Aquí, los científicos evaluaron las propiedades atrayentes y repelentes de dos sustancias. L-aspartato y sulfato de níquel, utilizando una cámara microfluídica especializada que podía probar varias concentraciones en un experimento. Los datos obtenidos demostraron que, con un aumento en la concentración de atrayente y repelente, la migración bacteriana hacia y desde las moléculas de prueba también aumentó, respectivamente.

Acabas de ver la introducción de JoVE a la motilidad y migración celular. En esta presentación, revisamos los principales hitos en el estudio de la motilidad y migración celular. A continuación, analizamos algunas preguntas actuales que se hacen y las herramientas que se utilizan en los laboratorios en la actualidad. Por último, algunos ejemplos de experimentos destacaron las aplicaciones de estas técnicas. Como siempre, ¡gracias por mirar!