Introduzione alla motilità cellulare e alla migrazione

La motilità cellulare è necessaria per molti processi fisiologici e patologici, tra cui la migrazione cellulare durante lo sviluppo embrionale, il movimento dei globuli bianchi in risposta all'infezione e le cellule tumorali sottoposte a metastasi. Due proteine cellulari, l'actina e la miosina, formano i principali elementi costitutivi dell'apparato di motilità.

In questo video introduttivo, esamineremo alcune delle scoperte di riferimento nel campo della motilità cellulare e della migrazione. Quindi, evidenzieremo alcune domande senza risposta riguardanti la motilità cellulare, seguite da una discussione sugli strumenti classici e avanzati utilizzati per studiare la motilità. Infine, concluderemo con alcuni esperimenti di esempio.

Iniziamo osservando le importanti scoperte associate a questo campo.

Nel 17^° secolo, Anton van Leeuwenhoek, con l'aiuto di un microscopio, divenne la prima persona ad osservare il movimento di spermatozoi e batteri. Un paio di secoli dopo, Theodor Wilhelm Engelmann e Wilhelm Pfeffer scoprirono il movimento batterico guidato dallo stimolo, tra cui: fototaxi, che è il movimento influenzato dalla luce; chemiotassi: movimento verso varie sostanze chimiche; e aerotaxi: movimento in risposta all'ossigeno. Più o meno nello stesso periodo, Ilya Metchnikoff eseguì un affascinante esperimento in cui pungeva la larva di stella marina trasparente con una spina di rosa e osservava le cellule che si muovevano da altre parti del corpo alla ferita. Ciò ha portato alla nozione di leucociti che migrano verso un sito di lesione, aprendo la strada al campo dell'immunologia.

Una comprensione del meccanismo del movimento cellulare è iniziata alcuni anni prima, quando si studiava un fenomeno apparentemente non correlato: la contrazione muscolare. Nel 1859, Wilhelm Kühne isolò una proteina muscolare che pensava fosse responsabile della sua rigidità e la chiamò miosina.

Nel 1942, Brunó Ferenc Straub scoprì che i preparati di "miosina" contenevano in realtà una proteina secondaria, l'actina. Ora sappiamo che l'actina e la miosina interagiscono per formare il complesso dell'actomiosina, che produce contrazione. Nel 1974, Margaret Clarke, mentre lavorava sotto James Spudich, caratterizzò strutture simili all'actomiosina nella muffa melmosa Dictyosteliume suggerì il suo coinvolgimento nel movimento delle cellule non muscolari.

Nel 1983, Spudich, insieme a Michael Sheetz, sviluppò un modello di actomiosina in vitro, che aprì la strada alla nostra attuale comprensione del loro meccanismo. Ora sappiamo che l'ATP, una molecola "ad alta energia" nelle cellule, si lega alla miosina e alimenta la molecola di miosina a "strisciare" lungo una molecola di actina parallela, generando così una forza contrattile che nelle cellule non muscolari può tirare la cellula in avanti durante la migrazione.

Dopo il breve schema storico, discutiamo alcune domande sulla motilità cellulare che gli scienziati si stanno ponendo oggi.

I ricercatori sono interessati a imparare come i segnali ambientali dirigono il movimento cellulare. Le cellule si muovono in risposta a una varietà di segnali, compresi quelli che guidano lo sviluppo embrionale o avvisano le cellule immunitarie dei siti di infezione. Questi segnali sono di solito composti chimici rilasciati da alcune cellule per indurre la migrazione di un tipo specifico di cellule verso di loro. Pertanto, studiare il meccanismo di questa induzione della chemiotassi può aiutare gli scienziati a comprendere meglio i disturbi in cui la migrazione cellulare viene interrotta.

Un'altra importante area di indagine riguarda il meccanismo molecolare che le cellule utilizzano per muoversi. Oltre all'apparato actomiosina che consente alle cellule con forme flessibili di estendere le sporgenze e "strisciare" lungo le superfici, i ricercatori cercano anche di capire come la motilità cellulare possa essere guidata da altri elementi citoscheletrici, come i microtubuli che formano il "fusto" delle code di spermatozoi, così come le complesse macchine molecolari che formano flagelli batterici.

Infine, alcuni scienziati esplorano come le cellule interagiscono tra loro e migrano insieme in gruppi, che si verificano nell'embriogenesi precoce, così come il processo di guarigione delle ferite.

Inoltre, poiché le cellule del corpo esistono effettivamente all'interno di una rete di molecole note come matrice extracellulare, abbreviata in ECM, studiare come le cellule interagiscono e invadono l'ECM può aiutare a comprendere fenomeni come le metastasi del cancro.

Ora che abbiamo un'idea delle domande che vengono poste sul campo, impariamo a conoscere alcune tecniche importanti impiegate.

Il test del graffio viene utilizzato per modellare il modo in cui le cellule epiteliali ripopolano un'area aperta, un processo simile alla guarigione delle ferite. In questa procedura, una ferita viene creata facendo scorrere una punta di pipetta attraverso la parabola di coltura cellulare. Man mano che le cellule ricresceranno in questo divario nel tempo, le loro traiettorie di movimento potrebbero essere tracciate utilizzando un software di tracciamento per valutare la velocità e lo spostamento del movimento.

Il test di migrazione transwell è un altro metodo classico utilizzato per studiare la chemioattrazione, che è il processo di attrazione chimica delle cellule. In questo test, la soluzione chemioattrattante viene aggiunta ai pozzetti, quindi le camere transwell vengono posizionate all'interno di questi pozzetti e, infine, viene aggiunto un tipo di cellula migratrice sul lato superiore della membrana. Il numero di cellule che migrano verso il chemioattrattante può essere contato utilizzando un microscopio e un emocitometro.

I progressi nelle tecniche ingegneristiche hanno permesso la costruzione di dispositivi di microfluidica, composti da canali microfabbricati incisi su una superficie adatta. Per gli esperimenti di migrazione, il canale di solito ha due porte: una per l'aggiunta di una sospensione cellulare e un'altra per l'aggiunta di uno stimolo chimico. L'effetto dello stimolo sul comportamento migratorio delle cellule può quindi essere studiato al microscopio.

Per studiare l'invasione delle cellule nell'ECM, i ricercatori possono eseguire saggi di invasione 3D. In questo metodo, gli scienziati colvano cellule in matrici tridimensionali fatte di componenti come il collagene. Quindi, con l'aiuto di software sofisticati, possono tracciare l'invasione in tre dimensioni. Questo metodo è particolarmente utile per studiare lo sviluppo del tumore.

Infine, la microscopia a fluorescenza time-lapse può essere utilizzata per tracciare le cellule vive in vivo. I geni che codificano per le proteine fluorescenti possono essere introdotti in un modello animale. Il percorso migratorio delle cellule che ora esprimono proteine fluorescenti può essere tracciato utilizzando sofisticati metodi di imaging, come la microscopia a due fotoni.

Ora, esaminiamo alcune applicazioni attuali di questi saggi di motilità cellulare e migrazione.

Come discusso, la migrazione cellulare svolge un ruolo fondamentale nelle metastasi tumorali. Qui, gli scienziati hanno coltivato cellule tumorali incorporate in una matrice insieme a fette di cervello in una camera transwell. Dopo l'incubazione, i campioni sono stati colorati e analizzati utilizzando l'immunofluorescenza. I risultati hanno dimostrato l'invasione da parte delle cellule tumorali nelle fette di cervello.

Dopo l'infezione, le cellule rilasciano chemochine, che sono proteine chemioattrattrici che inducono la migrazione dei neutrofili. I neutrofili sono cellule fagocitiche, che formano parte integrante del sistema immunitario innato. Qui, i ricercatori hanno valutato questo fenomeno utilizzando un test di migrazione transwell. Hanno placcato le cellule epiteliali infette da batteri sul lato inferiore della membrana, mentre i neutrofili sono stati coltivati sul lato superiore. I risultati hanno mostrato una significativa migrazione dei neutrofili in presenza di cellule infette.

Infine, i saggi in camera microfluidica possono essere utilizzati per esaminare la chemiotassi batterica. Qui, gli scienziati hanno valutato le proprietà attrattive e repellenti di due sostanze – L-aspartato e solfato di nichel – utilizzando una camera microfluidica specializzata che potrebbe testare diverse concentrazioni in un unico esperimento. I dati ottenuti hanno dimostrato che con un aumento della concentrazione di attrattivo e repellente, anche la migrazione batterica verso e lontano dalle molecole in esame è aumentata, rispettivamente.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE alla motilità cellulare e alla migrazione. In questa presentazione, abbiamo esaminato le principali pietre miliari nello studio della motilità e della migrazione cellulare. Successivamente, abbiamo discusso alcune domande attuali poste e gli strumenti utilizzati oggi nei laboratori. Infine, alcuni esperimenti di esempio hanno evidenziato le applicazioni di queste tecniche. Come sempre, grazie per aver guardato!