Una introducción a la motilidad celular y la migración

Cell Biology

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Summary

Migración y motilidad celular desempeñan importantes funciones en ambos normal de la biología y en la enfermedad. Por un lado, la migración permite generar complejos tejidos y órganos durante el desarrollo de las células, pero por otro lado, los mismos mecanismos son utilizados por las células del tumor y extensión en un proceso conocido como metástasis del cáncer. Uno de los mecanismos celulares primarios que permiten el movimiento celular es una red intracelular de miosina y actina moléculas, juntas conocidos como "actomyosin", que crea una fuerza contráctil para tirar de una celda en distintas direcciones.

En este video, JoVE presenta una descripción histórica del campo de la migración de la célula, observando cómo trabajo en la contracción muscular conducida al descubrimiento del aparato actomyosin. A continuación exploramos algunas de las preguntas que los investigadores todavía se preguntan sobre la motilidad celular y revisión las técnicas utilizadas para el estudio de diferentes aspectos de este fenómeno. Por último, veremos cómo los investigadores están estudiando actualmente la migración de la célula, por ejemplo, para entender mejor la metástasis.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Fundamentos de la biología celular. Una introducción a la motilidad celular y la migración. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

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

En este video de introducción, revisaremos algunos de los descubrimientos de hito en el campo de la migración y motilidad celular. A continuación, destacamos algunas preguntas sin respuesta en relación con la motilidad celular, seguida por una discusión de herramientas clásicas y avanzadas para el estudio de la motilidad. Por último, a terminar con algunos experimentos de ejemplo.

Vamos a comenzar analizando los descubrimientos importantes relacionados con este campo.

Enel siglo 17, Anton van Leeuwenhoek, con la ayuda de un microscopio, se convirtió en la primera persona para observar el movimiento de los espermatozoides y las bacterias. Un par de siglos más tarde, Theodor Wilhelm Engelmann y Wilhelm Pfeffer descubrieron basada en el estímulo movimiento de bacteria, incluyendo: phototaxis, que es movimiento influenciado por la luz; quimiotaxis: movimiento hacia diversas sustancias químicas; y aerotaxis, movimiento en respuesta al oxígeno. Al mismo tiempo, Ilya Metchnikoff realizó un experimento fascinante en la que pinchó la larva de estrella de mar transparente con una espina de rosa y observa las células hacia la herida de otras partes del cuerpo. Esto condujo a la noción de los leucocitos emigran a un sitio de la lesión, pionera en el campo de la inmunología.

Una comprensión del mecanismo de movimiento celular comenzó unos años antes, al estudiar un fenómeno aparentemente sin relación: contracción del músculo. En 1859, Wilhelm Kühne aisló una proteína muscular que pensó que era responsable de su rigidez y la llamó miosina.

En 1942, Brunó Ferenc Straub descubrió que los preparativos de "miosina" realmente contenían una proteína secundaria, actina. Ahora sabemos que actina y miosina interactúan para formar el complejo actomyosin que produce la contracción. En 1974, Margaret Clarke, mientras que trabaja debajo James Spudich, había caracterizado actomyosin-como las estructuras en el molde del limo Dictyosteliumy sugirió su participación en el movimiento celular no muscular.

En 1983, Spudich, junto con Michael Sheetz, desarrolló una en vitro modelo actomyosin, que allanó el camino para nuestra actual comprensión de su mecanismo. Ahora sabemos que ATP, una molécula de "alta energía" en las células, se une a la miosina y la molécula de miosina para "rastrear" los poderes a lo largo de una molécula de actina paralelos, generando una fuerza contráctil que en las células musculares no puede tirar la célula adelante durante su migración.

Después de la breve reseña histórica, vamos a discutir algunas cuestiones sobre la motilidad de la célula que los científicos se preguntan hoy en día.

Los investigadores están interesados en aprender cómo ambiental movimiento de celular directa de señales. Las células se mueven en respuesta a una variedad de señales, incluyendo aquellos que impulsan el desarrollo embrionario y las células inmunes alerta a los sitios de infección. Estas señales son compuestos generalmente químicos liberados por algunas células para inducir la migración de un tipo específico de células hacia ellos. Por lo tanto, estudiar el mecanismo de esta inducción de quimiotaxis puede ayudar a los científicos comprender mejor los trastornos en que célula se interrumpe la migración.

Otra área importante de investigación refiere a la maquinaria molecular que utilizan las células para moverse. Además el aparato de actomyosin que permite a las células con formas geométricas flexibles protuberancias y "arrastre" a lo largo de las superficies, los investigadores también buscan entender cómo la motilidad de la célula puede ser conducida por otros elementos del citoesqueleto, los microtúbulos que forman el "eje" de la cola del esperma, así como las máquinas moleculares complejas que forman flagelos bacterianos.

Por último, algunos científicos exploran cómo las células interactúan entre sí y emigran juntos en grupos, que se producen en la embriogénesis temprana, así como el proceso de cicatrización.

Además, porque las células del cuerpo realmente existen dentro de una malla de moléculas conocido como la matriz extracelular, abreviada como ECM, investigando cómo las células interactúan con e invaden en el ECM puede ayudar a fenómenos de comprensión como la metástasis del cáncer.

Ahora que ya tenemos una idea de las preguntas en el campo, vamos a conocer algunas técnicas prominente siendo empleados.

El ensayo de rayado se utiliza para modelar células epiteliales cómo repoblar una zona abierta, un proceso similar a la cicatrización de heridas. En este procedimiento, se crea una herida mediante la ejecución de una punta de pipeta a través de la placa de cultivo celular. Como las células crecen en esta brecha en el tiempo, sus trayectorias de movimiento podrían ser rastreados utilizando el software de seguimiento para evaluar el desplazamiento y la velocidad de movimiento.

El ensayo de migración transwell es otro método clásico utilizado para estudiar chemoattraction, que es el proceso de atraer químicamente a las células. En este ensayo, chemoattractant solución se agrega a los pozos, las cámaras transwell son colocadas dentro de estos pozos, y por último, se agrega un tipo de células migratorias en la parte superior de la membrana. El número de células que emigran hacia la chemoattractant puede contarse utilizando un microscopio y un hemocitómetro.

Avances en técnicas de ingeniería han permitido la construcción de dispositivos de microfluidos, compuesto por canales recientemente grabados en una superficie adecuada. Para los experimentos de migración, el canal tiene generalmente dos puertos: uno para la adición de una suspensión y otro para la adición de un estímulo químico. El efecto del estímulo en el comportamiento migratorio de las células puede entonces estudiarse bajo un microscopio.

Para estudiar la invasión de las células en el ECM, los investigadores pueden realizar ensayos de invasión 3D. En este método, los científicos de la cultura células en matrices tridimensionales de componentes como el colágeno. Luego, con la ayuda de software sofisticado puede seguir la invasión en tres dimensiones. Este método es particularmente útil para estudiar el desarrollo del tumor.

Por último, microscopía de fluorescencia Time-lapse puede utilizarse para seguimiento de células vivas en vivo. Genes que codifican proteínas fluorescentes pueden ser introducidos en un modelo animal. La ruta migratoria de las células que ya expresan proteínas fluorescentes puede rastrearse mediante métodos sofisticados de imagen, tales como microscopia de dos fotones.

Ahora, vamos a examinar algunas aplicaciones actuales de estos ensayos de migración y motilidad celular.

Como comentamos, migración de la célula desempeña un papel crítico en metástasis del tumor. Aquí, los científicos cultivan células tumorales embebidas en una matriz junto con rebanadas de cerebro en una cámara transwell. Tras la incubación, las muestras fueron teñidas y analizan mediante inmunofluorescencia. Los resultados demostraron invasión por células tumorales en las rebanadas de cerebro.

Después de la infección, las células liberan quimiocinas, que son proteínas chemoattractant que inducen la migración de neutrófilos. Neutrófilos son las células fagocíticas, que forman parte integral del sistema inmune innato. Aquí, los investigadores evaluaron este fenómeno usando un análisis de migración transwell. Platean células epiteliales infectadas por las bacterias en la parte inferior de la membrana, mientras que los neutrófilos fueron cultivados en la parte superior. Los resultados mostraron significativa migración neutrófila en presencia de las células infectadas.

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

Sólo ha visto la introducción de Zeus a migración y motilidad celular. En esta presentación, repasamos los principales hitos en el estudio de la motilidad celular y la migración. A continuación, comentamos algunas preguntas actuales y herramientas que se utiliza en los laboratorios de hoy. Por último, algunos experimentos de ejemplo destacan aplicaciones de estas técnicas. ¡Como siempre, gracias por ver!

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