Введение в подвижность и миграцию клеток

Подвижность клеток необходима для многих физиологических и патологических процессов, включая миграцию клеток во время эмбрионального развития, перемещение белых кровяных телец в ответ на инфекцию и метастазирование раковых клеток. Два клеточных белка, актин и миозин, являются основными строительными блоками моторного аппарата.

В этом вступительном видео мы рассмотрим некоторые из знаковых открытий в области подвижности и миграции клеток. Затем мы выделим несколько оставшихся без ответа вопросов о подвижности клеток, а затем обсудим классические и передовые инструменты, используемые для изучения моторики. Наконец, мы закончим несколькими примерами экспериментов.

Давайте начнем с рассмотрения важных открытий, связанных с этой областью.

В 17 веке Антон ван Левенгук с помощью микроскопа стал первым человеком, наблюдавшим за движением сперматозоидов и бактерий. Пару столетий спустя Теодор Вильгельм Энгельман и Вильгельм Пфеффер открыли движение бактерий, вызванное стимулами, в том числе: фототаксис, то есть движение под действием света; хемотаксис — движение в сторону различных химических веществ; и аэротаксис — движение в ответ на кислород. Примерно в это же время Илья Мечников провел увлекательный эксперимент, в ходе которого он уколол прозрачную личинку морской звезды шипом розы и наблюдал, как клетки перемещаются из других частей тела в рану. Это привело к появлению идеи о том, что лейкоциты мигрируют к месту повреждения, став пионером в области иммунологии.

Понимание механизма движения клеток началось несколькими годами ранее, когда изучали, казалось бы, не связанное с этим явление — сокращение мышц. В 1859 году Вильгельм Кюне выделил мышечный белок, который, по его мнению, отвечал за его жесткость, и назвал его миозином.

В 1942 году Бруно Ференц Штрауб обнаружил, что препараты «миозина» на самом деле содержат вторичный белок — актин. Теперь мы знаем, что актин и миозин взаимодействуют, образуя комплекс актомиозин, который вызывает сокращение. В 1974 году Маргарет Кларк, работая под руководством Джеймса Спудича, охарактеризовала актомиозиноподобные структуры у слизевой плесени Dictyostelium и предположила ее участие в немышечном движении клеток.

В 1983 году Спудич вместе с Майклом Шитцем разработали модель актомиозина in vitro, которая проложила путь к нашему современному пониманию их механизма. Теперь мы знаем, что АТФ, «высокоэнергетическая» молекула в клетках, связывается с миозином и заставляет молекулу миозина «ползать» вдоль параллельной молекулы актина, тем самым создавая сократительную силу, которая в немышечных клетках может тянуть клетку вперед во время миграции.

После краткого исторического очерка, давайте обсудим несколько вопросов о подвижности клеток, которые ученые задают сегодня.

Исследователям интересно узнать, как сигналы окружающей среды направляют движение клеток. Клетки движутся в ответ на различные сигналы, в том числе те, которые стимулируют эмбриональное развитие или предупреждают иммунные клетки о местах инфекции. Эти сигналы обычно представляют собой химические соединения, выделяемые некоторыми клетками, чтобы вызвать миграцию определенного типа клеток к ним. Таким образом, изучение механизма этой индукции хемотаксиса может помочь ученым лучше понять нарушения, при которых нарушается миграция клеток.

Еще одна важная область исследований связана с молекулярными механизмами, которые клетки используют для движения. В дополнение к аппарату актомиозина, который позволяет клеткам с гибкими формами расширять выступы и «ползать» по поверхностям, исследователи также стремятся понять, как подвижность клеток может быть обусловлена другими элементами цитоскелета, такими как микротрубочки, которые формируют «стержень» сперматозоидных хвостов, а также сложными молекулярными машинами, которые формируют бактериальные жгутики.

Наконец, некоторые ученые исследуют, как клетки взаимодействуют друг с другом и мигрируют вместе в группы, что происходит на ранних этапах эмбриогенеза, а также в процессе заживления ран.

Кроме того, поскольку клетки в организме фактически существуют в сетке молекул, известной как внеклеточный матрикс, сокращенно ECM, изучение того, как клетки взаимодействуют с ECM и вторгаются в нее, может помочь в понимании таких явлений, как метастазирование рака.

Теперь, когда у нас есть представление о вопросах, которые задаются в полевых условиях, давайте узнаем о некоторых известных используемых методах.

Анализ царапин используется для моделирования того, как эпителиальные клетки повторно заселяют открытую область — процесс, аналогичный заживлению ран. При этой процедуре рана создается путем пропускания наконечника пипетки через чашку для культивирования клеток. По мере того, как клетки со временем снова врастают в этот промежуток, траектории их движения можно отслеживать с помощью программного обеспечения для оценки скорости движения и смещения.

Анализ миграции трансвелла является еще одним классическим методом, используемым для изучения хемоаттракции, которая представляет собой процесс химического притяжения клеток. В этом анализе раствор хемоаттрактанта добавляется в лунки, затем внутри этих лунок помещаются трансвелловые камеры, и, наконец, на верхней стороне мембраны добавляется тип мигрирующих клеток. Количество клеток, мигрирующих в сторону хемоаттрактанта, можно подсчитать с помощью микроскопа и гемоцитометра.

Достижения в области инженерных технологий позволили создать устройства микрофлюидики, состоящие из микрообработанных каналов, выгравированных на подходящей поверхности. Для экспериментов по миграции канал обычно имеет два порта: один для добавления клеточной суспензии, а другой для добавления химического стимула. Влияние стимула на миграционное поведение клеток может быть изучено под микроскопом.

Чтобы изучить инвазию клеток в ВКМ, исследователи могут проводить 3D-анализы инвазии. В этом методе ученые культивируют клетки в трехмерных матрицах, изготовленных из таких компонентов, как коллаген. Затем, с помощью сложного программного обеспечения, они могут отслеживать вторжение в трех измерениях. Этот метод особенно полезен для изучения развития опухоли.

Наконец, покадровая флуоресцентная микроскопия может быть использована для отслеживания живых клеток in vivo. Гены, кодирующие флуоресцентные белки, могут быть введены в животную модель. Миграционный путь клеток, экспрессирующих флуоресцентные белки, можно проследить с помощью сложных методов визуализации, таких как двухфотонная микроскопия.

Теперь давайте рассмотрим некоторые современные применения этих анализов подвижности и миграции клеток.

Как уже говорилось, миграция клеток играет решающую роль в метастазировании опухоли. Здесь ученые культивировали опухолевые клетки, встроенные в матрицу, вместе со срезами мозга в трансвелл-камере. После инкубации образцы окрашивали и анализировали с помощью иммунофлюоресценции. Результаты продемонстрировали инвазию опухолевых клеток в срезы мозга.

После инфекции клетки высвобождают хемокины, которые представляют собой хемоаттрактантные белки, индуцирующие миграцию нейтрофилов. Нейтрофилы – это фагоцитарные клетки, которые составляют неотъемлемую часть врожденной иммунной системы. Здесь исследователи оценили это явление с помощью анализа трансвелловой миграции. Они поместили инфицированные бактериями эпителиальные клетки на нижнюю сторону мембраны, в то время как нейтрофилы культивировались на верхней стороне. Результаты показали значительную миграцию нейтрофилов в присутствии инфицированных клеток.

Наконец, анализы микрофлюидной камеры могут быть использованы для изучения бактериального хемотаксиса. Здесь ученые оценили аттрактантные и репеллентные свойства двух веществ — L-аспартата и сульфата никеля — с помощью специализированной микрофлюидной камеры, которая могла проверить несколько концентраций в одном эксперименте. Полученные данные показали, что с увеличением концентрации аттрактанта и репеллента миграция бактерий к исследуемым молекулам и от них также увеличивалась, соответственно.

Вы только что посмотрели введение JoVE в подвижность и миграцию клеток. В этой презентации мы рассмотрели основные вехи в изучении подвижности и миграции клеток. Далее мы обсудили некоторые актуальные вопросы и инструменты, используемые в лабораториях сегодня. Наконец, несколько примеров экспериментов показали применение этих методов. Как всегда, спасибо за просмотр!