מבוא לתנועתיות תאים ולהגירה

תנועתיות תאים נדרשת לתהליכים פיזיולוגיים ופתולוגיים רבים, כולל נדידת תאים במהלך התפתחות עוברית, תנועה של תאי דם לבנים בתגובה לזיהום, ותאים סרטניים העוברים גרורות. שני חלבונים תאיים, אקטין ומיוסין, מהווים את אבני הבניין העיקריות של מנגנון תנועתיות.

בסרטון היכרות זה, נסקור כמה מהתגליות החשובות בתחום תנועתיות התאים והנדידה. לאחר מכן, נוקד כמה שאלות שלא נענו לגבי תנועתיות תאים, ואחריהן דיון בכלים קלאסיים ומתקדמת המשמשים לחקר תנועתיות. לבסוף, נסיים עם כמה ניסויים לדוגמה.

בואו נתחיל על ידי התבוננות בתגליות החשובות הקשורות לתחום זה.

במאה ה -17, אנטון ואן Leeuwenhoek, בעזרת מיקרוסקופ, הפך לאדם הראשון להתבונן בתנועה של זרע וחיידקים. כמה מאות שנים מאוחר יותר, תיאודור וילהלם אנגלמן ווילהלם פפר גילו תנועה חיידקית מונעת גירויים, כולל: פוטוטקסיס, שהיא תנועה מושפעת מהאור; כימוטקסיס – תנועה לעבר חומרים כימיים שונים; ואירוטקסיס – תנועה בתגובה לחמצן. בערך באותו זמן, איליה מצ'ניקוב ביצע ניסוי מרתק שבו דקר את זחל כוכב הים השקוף בקוץ ורדים, וצפה בתאים שנעים מחלקים אחרים של הגוף לפצע. זה הוביל לתחון של לויקוציטים נודדים לאתר של פציעה, חלוץ בתחום החיסונים.

הבנה של מנגנון תנועת התאים החלה כמה שנים קודם לכן, כאשר חקרו תופעה שלכארה אינה קשורה – התכווצות שרירים. בשנת 1859, וילהלם קוהן בודד חלבון שריר שלדעתו אחראי לנוקשותו, וקרא לו מיוסין.

בשנת 1942 גילה ברונו פרנץ שטראוב כי תכשירי המיוסין מכילים למעשה חלבון משני, אקטין. עכשיו אנחנו יודעים כי actin ומיוסין אינטראקציה כדי ליצור את קומפלקס actomyosin, אשר מייצר התכווצות. בשנת 1974, מרגרט קלארק, בעת שעבדה תחת ג'יימס ספודיץ ', אפיינה מבנים דמויי אקומיוסין בתבנית הרפש Dictyostelium, והציעה את מעורבותה בתנועת תאים שאינם שרירים.

בשנת 1983 פיתחו ספאודיץ', יחד עם מייקל שץ, מודל של אקונומיוסין במבחנה, שסלל את הדרך להבנה הנוכחית שלנו את המנגנון שלהם. כיום אנו יודעים כי ATP, מולקולה "בעלת אנרגיה גבוהה" בתאים, נקשר למיוסין ומפעיל את מולקולת המיוסין "לזחול" לאורך מולקולת אקטין מקבילה, ובכך ליצור כוח התכווצות כי בתאים שאינם שריר יכול למשוך את התא קדימה במהלך הנדידה.

לאחר המתווה ההיסטורי הקצר, בואו נדון בכמה שאלות על תנועתיות תאים שמדענים שואלים היום.

חוקרים מעוניינים ללמוד כיצד רמזים סביבתיים מכוונים את תנועת התאים. תאים נעים בתגובה למגוון אותות, כולל אלה המניעים התפתחות עוברית, או מתריעים על תאי מערכת החיסון לאתרי זיהום. אותות אלה הם בדרך כלל תרכובות כימיות שפורסמו על ידי תאים מסוימים כדי לגרום לנדידה של סוג מסוים של תאים כלפיהם. לכן, לימוד המנגנון של אינדוקציה כימוטצית זו יכול לעזור למדענים להבין טוב יותר את ההפרעות שבהן נדידת התאים משובשת.

תחום חשוב נוסף של חקירה נוגע למכונות המולקולריות שהתאים משתמשים בהן כדי לנוע. בנוסף למנגנון actomyosin המאפשר לתאים עם צורות גמישות להרחיב בליטות ו"לזחול "לאורך משטחים, החוקרים גם מבקשים להבין כיצד תנועתיות תאים יכולה להיות מונעת על ידי אלמנטים ציטוסד שלד אחרים, כגון microtubules היוצרים את "פיר" של זנבות זרע, כמו גם את המכונות המולקולריות המורכבות היוצרות flagella חיידקי.

לבסוף, מדענים מסוימים חוקרים כיצד תאים מתקשרים זה עם זה ונודדים יחד בקבוצות, המתרחשות בעוברים מוקדמים, כמו גם בתהליך ריפוי הפצעים.

בנוסף, מכיוון שתאים בגוף קיימים למעשה בתוך רשת של מולקולות המכונות מטריצה חוץ תאית, מקוצרת כ- ECM, חקירת האופן שבו תאים מתקשרים עם ופולשים ל- ECM יכולה לעזור בהבנת תופעות כגון גרורות סרטניות.

עכשיו שיש לנו מושג על השאלות הנשאלות בשטח, בואו נלמד על כמה טכניקות בולטות בשימוש.

בדיקת השריטות משמשת כדי לדגמן כיצד תאי אפיתל מאוכלסים מחדש שטח פתוח – תהליך הדומה לריפוי פצעים. בהליך זה, פצע נוצר על ידי הפעלת טיפ פיפטה דרך צלחת תרבית התא. ככל שהתאים גדלים בחזרה לפער הזה לאורך זמן, ניתן היה לעקוב אחר מסלולי התנועה שלהם באמצעות תוכנת מעקב כדי להעריך את מהירות התנועה ואת ההעתקה.

בדיקת ההגירה הטרנסוולית היא שיטה קלאסית נוספת המשמשת לחקר כימותרפיה, שהיא תהליך של משיכת תאים כימית. ב- assay זה, פתרון chemoattractant מתווסף בארות, אז תאי transwell ממוקמים בתוך בארות אלה, ולבסוף, סוג תא נודד מתווסף בצד העליון של הממברנה. ניתן לספור את מספר התאים הנודדים לכיוון הכימותרפיה באמצעות מיקרוסקופ והמוציטומטר.

ההתקדמות בטכניקות ההנדסה אפשרה בניית מכשירי מיקרופלואידיקה, המורכבים מערוצים מיקרו-מפובריקטים חקוקים על משטח מתאים. לניסויי הגירה, לערוץ יש בדרך כלל שתי יציאות: אחת לתוספת מתלה תא, והאחרת לתוספת גירוי כימי. לאחר מכן ניתן לחקור את השפעת הגירוי על התנהגות הנדידה של התאים תחת מיקרוסקופ.

כדי לחקור את הפלישה של תאים לתוך ECM, חוקרים יכולים לבצע בוצעו 3D פלישה. בשיטה זו, מדענים תרבות תאים מטריצות תלת מימדיות עשוי מרכיבים כגון קולגן. לאחר מכן, בעזרת תוכנה מתוחכמת הם יכולים לעקוב אחר פלישה בשלושה ממדים. שיטה זו שימושית במיוחד לחקר התפתחות הגידול.

לבסוף, ניתן להשתמש במיקרוסקופיית פלואורסצנטיות בזמן כדי לעקוב אחר תאים חיים ב- vivo. גנים קידוד חלבונים פלואורסצנטיים ניתן להכניס לתוך מודל מן החי. ניתן לעקוב אחר הנתיב הנודד של התאים המבטאים כעת חלבונים פלואורסצנטיים בשיטות הדמיה מתוחכמות, כגון מיקרוסקופיה דו-פוטונית.

עכשיו, בואו נבחן כמה יישומים נוכחיים של תנועתיות תאים אלה ובוחות הגירה.

כפי שנדון, נדידת תאים ממלאת תפקיד קריטי בגלמת הגידול. כאן, מדענים תרבית תאים סרטניים מוטבעים במטריצה יחד עם פרוסות המוח בתא transwell. לאחר הדגירה, הדגימות היו מוכתמות ונותחו באמצעות אימונופלואורסצנטיות. התוצאות הראו פלישה על ידי תאים סרטניים לתוך פרוסות המוח.

לאחר זיהום, תאים לשחרר chemokines, שהם חלבונים chemoattractant הגורמים הגירה של נויטרופילים. נויטרופילים הם תאים פאגוציטיים, המהווים חלק בלתי נפרד ממערכת החיסון המולדת. כאן, החוקרים העריכו תופעה זו באמצעות נדידת טרנסוול. הם הציפו תאי אפיתל נגועים בחיידקים לחלק התחתון של הממברנה, בעוד נויטרופילים היו בתרבית בצד העליון. התוצאות הראו נדידת נויטרופילים משמעותית בנוכחות תאים נגועים.

לבסוף, ניתן להשתמש בבחינת כימוטסיסים של תאים מיקרופלואידיים כדי לבחון כימוטקסיה חיידקית. כאן, מדענים העריכו תכונות מושכות ודוחות של שני חומרים – L-אספרטט וניקל סולפט – באמצעות תא מיקרופלואידי מיוחד שיכול לבדוק מספר ריכוזים בניסוי אחד. הנתונים שהתקבלו הראו כי עם עלייה בריכוז מושך ודוחה, גם נדידת החיידקים לכיוון מולקולות הבדיקה והרחק ממנה גדלה, בהתאמה.

הרגע צפית בהקדמה של JoVE לתנועתיות תאים ולהגירה. במצגת זו, סקרנו את אבני הדרך העיקריות בחקר תנועתיות התאים והנדידה. לאחר מכן, דנו בכמה שאלות עכשוויות הנשאלות, וכלים המשמשים במעבדות כיום. לבסוף, כמה ניסויים לדוגמה הדגישו יישומים של טכניקות אלה. כמו תמיד, תודה שצפית!