Een inleiding tot celbeweeglijkheid en migratie

Celbeweeglijkheid is vereist voor veel fysiologische en pathologische processen, inclusief celmigratie tijdens embryonale ontwikkeling, beweging van witte bloedcellen als reactie op een infectie en kankercellen die metastase ondergaan. Twee cellulaire eiwitten, actine en myosine, vormen de belangrijkste bouwstenen van het beweeglijkheidsapparaat.

In deze inleidende video bespreken we enkele van de mijlpalen in het veld van celbeweeglijkheid en -migratie. Vervolgens belichten we enkele onbeantwoorde vragen over celbeweeglijkheid, gevolgd door een bespreking van klassieke en geavanceerde hulpmiddelen die worden gebruikt om beweeglijkheid te bestuderen. Tot slot zullen we afsluiten met enkele voorbeeldexperimenten.

Laten we beginnen met de belangrijke ontdekkingen die met dit veld zijn geassocieerd.

In de 17^de eeuw werd Anton van Leeuwenhoek, met behulp van een microscoop, de eerste persoon die de beweging van spermatozoa en bacteriën observeerde. Een paar eeuwen later ontdekten Theodor Wilhelm Engelmann en Wilhelm Pfeffer stimulus-gedreven bacteriële beweging, inclusief: fototaxie, wat beweging is die door licht wordt beïnvloed; chemotaxie - beweging naar verschillende chemische stoffen; en aerotaxie - beweging als reactie op zuurstof. Rond dezelfde tijd voerde Ilya Metchnikoff een fascinerend experiment uit waarin hij de transparante larve van een zeester prikte met een rozendoorn en observeerde dat cellen zich van andere delen van het lichaam naar de wond bewogen. Dit leidde tot de notie van leukocyten die naar een plaats van letsel migreren, en pionierde het veld van de immunologie.

Het begrip van het mechanisme van celbeweging begon een paar jaar eerder, bij het bestuderen van een ogenschijnlijk ongerelateerd fenomeen - spiercontractie. In 1859 isoleerde Wilhelm Kühne een spiereiwit waarvan hij dacht dat het verantwoordelijk was voor de stijfheid, en noemde het myosine.

In 1942 ontdekte Brunó Ferenc Straub dat de "myosine" preparaten eigenlijk een secundair eiwit bevatten, actine. We weten nu dat actine en myosine interageren om het actomyosinecomplex te vormen, dat contractie produceert. In 1974 karakteriseerde Margaret Clarke, terwijl ze werkte onder James Spudich, actomyosine-achtige structuren in de slijmschimmel Dictyostelium, en suggereerde haar betrokkenheid bij niet-spiercelbeweging.

In 1983 ontwikkelden Spudich, samen met Michael Sheetz, een in vitro actomyosinemodel, dat de weg baande naar ons huidige begrip van hun mechanisme. We weten nu dat ATP, een "hoogenergetisch" molecuul in cellen, zich bindt aan myosine en de myosinemolecuul aandrijft om langs een parallelle actinemolecuul te "kruipen", waardoor een samentrekkende kracht wordt gegenereerd die in niet-spiercellen de cel tijdens migratie vooruit kan trekken.

Na de korte historische schets, laten we een paar vragen over celbeweeglijkheid bespreken die wetenschappers vandaag de dag stellen.

Onderzoekers zijn geïnteresseerd in het leren hoe omgevingssignalen celbeweging richten. Cellen bewegen in reactie op een verscheidenheid aan signalen, inclusief die welke embryonale ontwikkeling aansturen, of immuuncellen waarschuwen voor infectieplaatsen. Deze signalen zijn meestal chemische verbindingen die door sommige cellen worden vrijgegeven om migratie van een specifiek type cellen naar hen toe te induceren. Daarom kan het bestuderen van het mechanisme van deze chemotaxie-inductie wetenschappers helpen om de aandoeningen waarin celmigratie wordt verstoord beter te begrijpen.

Een ander belangrijk onderzoeksgebied betreft de moleculaire machinerie die cellen gebruiken om te bewegen. Naast het actomyosine-apparaat dat cellen met flexibele vormen toelaat om uitsteeksels te maken en "kruipen" over oppervlakken, proberen onderzoekers ook te begrijpen hoe celbeweeglijkheid kan worden aangedreven door andere cytoskeletal elementen, zoals de microtubuli die de "schacht" van spermastaarten vormen, evenals de complexe moleculaire machines die bacteriële flagellen vormen.

Ten slotte onderzoeken sommige wetenschappers hoe cellen met elkaar interageren en samen in groepen migreren, wat voorkomt in vroege embryogenese, evenals het wondgenezingsproces.

Bovendien, omdat cellen in het lichaam daadwerkelijk bestaan binnen een netwerk van moleculen dat bekend staat als de extracellulaire matrix, afgekort als ECM, kan onderzoek naar hoe cellen interageren met en invaderen in de ECM helpen bij het begrijpen van fenomenen zoals kankermetastase.

Nu we een idee hebben van de vragen die in het veld worden gesteld, laten we leren over enkele prominente technieken die worden gebruikt.

De scratch assay wordt gebruikt om te modelleren hoe epitheliale cellen een open gebied herbevolken - een proces vergelijkbaar met wondgenezing. In deze procedure wordt een wond gemaakt door een pipettip door de celcultuurschaal te laten lopen. Terwijl cellen in de loop van de tijd terug in deze opening groeien, kunnen hun bewegingstrajecten worden gevolgd met behulp van trackingsoftware om bewegingssnelheid en verplaatsing te beoordelen.

De transwell migratie assay is een andere klassieke methode die wordt gebruikt om chemoattractie te bestuderen, wat het proces is van chemisch aantrekken van cellen. In deze assay wordt chemoattractantoplossing toegevoegd aan putjes, waarna de transwellkamers in deze putjes worden geplaatst en ten slotte wordt een migrerende celtype toegevoegd aan de bovenkant van het membraan. Het aantal cellen dat naar de chemoattractant migreert, kan worden geteld met behulp van een microscoop en hemocytometer.

Vorderingen in engineeringtechnieken hebben de constructie van microfluïdische apparaten mogelijk gemaakt, bestaande uit microfabriceerde kanalen die op een geschikt oppervlak worden geëtst. Voor migratie-experimenten heeft het kanaal meestal twee poorten: een voor het toevoegen van een celsuspensie, en een andere voor het toevoegen van een chemische stimulus. Het effect van de stimulus op het migratiegedrag van cellen kan vervolgens onder een microscoop worden bestudeerd.

Om de invasie van cellen in de ECM te bestuderen, kunnen onderzoekers 3D-invasie-assays