細胞の運動性と移行は、両方の通常の生物学と疾患で重要な役割を果たします。一方、移行により、開発時に複雑な組織や臓器を生成する細胞が移動し、癌の転移として知られているプロセスの普及による腫瘍細胞の同じメカニズムを使用する一方で。細胞運動を可能にする主要な細胞機械の 1 つは、ミオシンとアクチン分子の一緒に「アクトミオシン」は、別の方向のセルをプルする収縮力を作成すると呼ばれる細胞内ネットワークです。
このビデオでは、ゼウスは、筋アクトミオシン装置の発見につながったのか初期の作品は注目細胞遊走のフィールドの歴史的概要を示します。質問の研究者細胞運動について求めているまだこの現象のさまざまな側面を研究するために使用するテクニックのいくつかを探る。最後に、我々 は研究者の転移を理解する細胞移行、現在勉強してどのように見てください。
細胞運動は萌芽期の開発、感染症に対する白血球の動きの間に細胞の移動を含む多くの生理学的および病理学的プロセスの必要で、がん細胞の転移を受けて。2 つの細胞蛋白質、ミオシンとアクチンは、運動器具のプリンシパルのビルディング ブロックを形成します。
この入門ビデオでは、細胞の運動性および移行の分野で画期的な発見のいくつかを確認します。その後、我々 は運動を研究に使用する古典的な高度なツールの議論が続いて、細胞運動に関するいくつかの疑問がハイライトされます。最後に、いくつかの例の実験でまとめるよ。
このフィールドに関連付けられている重要な発見を見てをみましょう。
17 世紀のアントン van Leeuwenhoek、顕微鏡の助けを借りて、精子や細菌の動きを観察する最初の人になった。数世紀後に、テオドール ・ ヴィルヘルム ・ エンゲルマン、ヴィルヘルム ・ プフェファー発見刺激駆動型細菌の動きを含む: 走光性は、光によって影響の動きは、走化性、様々 な化学物質への動き酸素走性 — 酸素に運動。同じ時間頃は、イリヤ Metchnikoff は、彼がバラのとげを持つ透明なヒトデ幼虫を刺して、傷口に移動体の他の部分から細胞を観察した魅惑的な実験を行った。これは白血球の免疫学の分野の先駆的な傷害のサイトへの移行の概念につながった。
細胞運動の機構の理解始めた数年前、一見無関係に見える現象を勉強-筋肉の収縮。1859 年に、Wilhelm Kühne は、彼は、その剛性に責任があったとミオシンと呼ばれる筋肉のタンパク質を分離しました。
1942 年に、Brunó ・ フェレンツ ストラウブ発見「ミオシン」準備が実際にタンパク質が二次を含まれているアクチン。我々 は今、アクチンとミオシンが収縮を生成する複雑なのアクトミオシンのフォームに対話を知っています。1974 年にマーガレット ・ クラーク、ジェームズ ・ Spudich の下で仕事をしながら粘菌、細胞性粘菌アクトミオシンのような構造が特徴し、非筋細胞運動への取り組みを提案しました。
1983 年にマイケル ・ シーツと一緒に Spudich モデルを開発、体外アクトミオシン、現代、そのメカニズムの理解への道を舗装します。今知っている「高エネルギー「分子細胞で ATP がミオシンにバインドし、”クロール”ミオシン分子の力に沿って並列アクチン分子非筋細胞内移行時に前方のセルを引くことができます収縮力を発生します。
簡単な歴史的輪郭後科学者が今日求めている細胞運動についていくつかの質問を説明しましょう。
研究者はどのように環境手がかり直接細胞運動の学習に興味があります。様々 なドライブ胚、またはアラートの免疫細胞の伝染のサイトにそれを含む信号への応答でセルを移動します。これらの信号は、それらの方の細胞の特定の種類の移行を誘導するためにいくつかの細胞によって発表された通常化学化合物です。したがって、この走化性誘導のメカニズムを調べる科学者セルの移行が中断される障害を理解を助けることができます。
調査のもう一つの重要な分野にかかわる細胞を使って移動分子機械。突起部を拡張し、「クロール」の表面に沿って柔軟な形状のセルができるアクトミオシン装置に加えては、研究者が細菌鞭毛を形成する複雑な分子機械と同様、精子の尾の「軸」を形成する微小管などの細胞骨格要素によっての細胞運動の駆動方法を理解しようとしても。
最後に、一部の科学者は細胞が互いに相互作用し、創傷治癒過程と同様に、初期胚発生のグループで一緒に移行する方法を探る。
さらに、体内の細胞が実際に細胞と対話する方法を調査して、ECM と略記される細胞外マトリックスとして知られている分子のメッシュ内に存在し、ECM に侵入するためはがんの転移などの現象の理解に役立ちます。
フィールドでの質問のアイデアがあるので、採用されているいくつかの著名なテクニックについて勉強しましょう。
スクラッチの試金はどのように上皮細胞をモデルに使用されるオープン エリアを再作成、創傷治癒に同じようなプロセス。この手順では傷が細胞培養ディッシュをピペット チップを実行することによって作成されます。細胞が時間の経過とともにこのギャップに戻って成長するその運動軌跡が移動速度と変位を評価するトラッキング ソフトウェアを使用して追跡されます可能性があります。
Transwell 移行アッセイよりは化学的に細胞を集めてのプロセスを研究するために使用する別の古典的な方法です。この分析では、走化性因子ソリューション井戸に追加されます transwell 室はこれらの井戸の中に配置し、膜面の上にある渡り鳥のセル型を追加最後に。顕微鏡と検定を使用して、走化性因子の方に移行するセルの数を数えることができます。
エンジニア リング技術の進歩は、適切な表面に刻まれた微細加工チャンネルで構成されるマイクロ流体デバイスの構築を許可しています。移行実験のためチャネルは通常 2 つのポートを持って: 細胞懸濁液と化学的刺激の付加のための別の付加のための 1 つ。顕微鏡下で細胞の回遊行動に及ぼす刺激を調査しことができます。
ECM への細胞の侵入を調査するには、研究者は、3 D の浸潤アッセイを実行できます。この方法でコラーゲンなどのコンポーネントの 3次元行列で細胞の培養科学者。その後、洗練されたソフトウェアの助けを借りて、彼らは 3 つの次元の侵略を追跡できます。このメソッドは、特に腫瘍の発生を調べる場合に役立ちます。
最後に、タイムラプス蛍光顕微鏡は、体内の生きた細胞を追跡する使用ことができます。蛍光タンパク質をコードする遺伝子を動物モデルに導入できます。今蛍光タンパク質を発現する細胞の渡り鳥のパスは、2 光子顕微鏡などの高度な画像処理方法を使用してトレースできます。
今、これらの細胞の運動性および移行の試金のいくつかの現在のアプリケーションを見てみましょう。
前述したように、細胞は腫瘍の転移の重要な役割を果たします。ここでは、科学者は、transwell 室で脳スライスと共にマトリックスに埋め込まれた腫瘍細胞を培養しました。例、サンプル染色し、蛍光抗体法を用いて分析します。結果は、脳スライスによる腫瘍細胞の浸潤を示した。
感染、細胞は好中球の遊走を誘導する走化性因子タンパク質であるケモカインを解放します。好中球は貪食細胞は、生得の免疫組織の不可欠な部分を形成します。ここでは、研究者は、transwell 移行の試金を使用してこの現象を評価されます。好中球は面の上に培養した一方、彼らメッキ膜の下側に細菌に感染した上皮細胞です。結果は、感染細胞の存在下で有意な好中球浸潤を示した。
最後に、細菌の走化性を調べるマイクロ流体チャンバー アッセイを使用できます。ここでは、科学者評価誘引と 2 つの物質をはじく特性-L-アスパラギン酸、ニッケルの硫酸塩-1 つの実験でいくつかの濃度をテストすることが特殊な流体チャンバーを使用します。得られたデータは、誘引・忌避剤濃度の増加、細菌移行に向けて、テスト分子からは離れても、それぞれ増加を示した。
細胞の運動性と移行のゼウスの概要を見てきただけ。このプレゼンテーションでは、細胞の運動性と移行における主要なマイルス トーンを確認しました。次に、いくつかの求められている、現在の質問とラボで今日使用されているツールについて話し合った。最後に、いくつかの例の実験には、これらの技術のアプリケーションが強調表示されます。いつも見てくれてありがとう!
Cell motility is required for many physiological and pathological processes, including cell migration during embryonic development, movement of white blood cells in response to infection, and cancer cells undergoing metastasis. Two cellular proteins, actin and myosin, form the principal building blocks of the motility apparatus.
In this introductory video, we’ll review some of the landmark discoveries in the field of cell motility and migration. Then, we’ll highlight a few unanswered questions regarding cell motility, followed by a discussion of classical and advanced tools used to study motility. Finally, we’ll wrap up with some example experiments.
Let’s start by looking at the important discoveries associated with this field.
In the 17th century, Anton van Leeuwenhoek, with the help of a microscope, became the first person to observe the movement of spermatozoa and bacteria. A couple of centuries later, Theodor Wilhelm Engelmann and Wilhelm Pfeffer discovered stimulus-driven bacterial motion, including: phototaxis, which is movement influenced by light; chemotaxis—movement towards various chemical substances; and aerotaxis—movement in response to oxygen. Around the same time, Ilya Metchnikoff performed a fascinating experiment in which he pricked the transparent starfish larva with a rose thorn, and observed cells moving from other parts of the body to the wound. This led to the notion of leukocytes migrating to a site of injury, pioneering the field of immunology.
An understanding of the mechanism of cell movement began a few years earlier, when studying a seemingly unrelated phenomenon—muscle contraction. In 1859, Wilhelm Kühne isolated a muscle protein that he thought was responsible for its stiffness, and called it myosin.
In 1942, Brunó Ferenc Straub discovered that the “myosin” preparations actually contained a secondary protein, actin. We now know that actin and myosin interact to form the actomyosin complex, which produces contraction. In 1974, Margaret Clarke, while working under James Spudich, characterized actomyosin-like structures in the slime mold Dictyostelium, and suggested its involvement in non-muscle cell movement.
In 1983, Spudich, along with Michael Sheetz, developed an in vitro actomyosin model, which paved the way to our present-day understanding of their mechanism. We now know that ATP, a “high-energy” molecule in cells, binds to myosin and powers the myosin molecule to “crawl” along a parallel actin molecule, thereby generating a contractile force that in non-muscle cells can pull the cell forward during migration.
After the brief historical outline, let’s discuss a few questions about cell motility that scientists are asking today.
Researchers are interested in learning how environmental cues direct cell movement. Cells move in response to a variety of signals, including those that drive embryonic development, or alert immune cells to sites of infection. These signals are usually chemical compounds released by some cells to induce migration of a specific type of cells towards them. Therefore, studying the mechanism of this chemotaxis induction can help scientists better understand the disorders in which cell migration is disrupted.
Another important area of investigation concerns the molecular machinery that cells use to move. In addition to the actomyosin apparatus that allows cells with flexible shapes to extend protrusions and “crawl” along surfaces, researchers also seek to understand how cell motility can be driven by other cytoskeletal elements, such as the microtubules that form the “shaft” of sperm tails, as well as the complex molecular machines that form bacterial flagella.
Finally, some scientists explore how cells interact with each other and migrate together in groups, which occur in early embryogenesis, as well as the wound healing process.
Additionally, because cells in the body actually exist within a mesh of molecules known as the extracellular matrix, abbreviated as ECM, investigating how cells interact with and invade into the ECM can help in understanding phenomena such as cancer metastasis.
Now that we have an idea of the questions being asked in the field, let’s learn about some prominent techniques being employed.
The scratch assay is used to model how epithelial cells repopulate an open area—a process similar to wound healing. In this procedure, a wound is created by running a pipette tip through the cell culture dish. As cells grow back into this gap over time, their movement trajectories could be tracked using tracking software to assess movement speed and displacement.
The transwell migration assay is another classical method used to study chemoattraction, which is the process of chemically attracting cells. In this assay, chemoattractant solution is added to wells, then the transwell chambers are placed inside these wells, and finally, a migratory cell type is added on the upper side of the membrane. The number of cells migrating towards the chemoattractant can be counted using a microscope and hemocytometer.
Advances in engineering techniques have allowed the construction of microfluidics devices, composed of microfabricated channels etched on a suitable surface. For migration experiments, the channel usually has two ports: one for the addition of a cell suspension, and another for the addition of a chemical stimulus. The effect of the stimulus on cells’ migratory behavior can then be studied under a microscope.
To study the invasion of cells into the ECM, researchers can perform 3D invasion assays. In this method, scientists culture cells in three-dimensional matrices made of components such as collagen. Then, with the help of sophisticated software they can track invasion in three dimensions. This method is particularly useful for studying tumor development.
Finally, time-lapse fluorescence microscopy can be used to track live cells in vivo. Genes encoding fluorescent proteins can be introduced into an animal model. The migratory path of the cells now expressing fluorescent proteins can be traced using sophisticated imaging methods, such as two-photon microscopy.
Now, let’s examine some current applications of these cell motility and migration assays.
As discussed, cell migration plays a critical role in tumor metastasis. Here, scientists cultured tumor cells embedded in a matrix together with brain slices in a transwell chamber. Following incubation, the samples were stained and analyzed using immunofluorescence. Results demonstrated invasion by tumor cells into the brain slices.
Following infection, cells release chemokines, which are chemoattractant proteins that induce migration of neutrophils. Neutrophils are phagocytic cells, which form an integral part of the innate immune system. Here, researchers evaluated this phenomenon using a transwell migration assay. They plated bacteria-infected epithelial cells onto the underside of the membrane, while neutrophils were cultured on the upper side. Results showed significant neutrophil migration in the presence of infected cells.
Finally, microfluidic chamber assays can be used to examine bacterial chemotaxis. Here, scientists evaluated attractant and repellant properties of two substances—L-aspartate and nickel sulfate—using a specialized microfluidic chamber that could test several concentrations in one experiment. The data obtained demonstrated that with an increase in attractant and repellent concentration, bacterial migration towards and away from the test molecules also increased, respectively.
You’ve just watched JoVE’s introduction to cell motility and migration. In this presentation, we reviewed the major milestones in the study of cell motility and migration. Next, we discussed some current questions being asked, and tools being used in labs today. Lastly, some example experiments highlighted applications of these techniques. As always, thanks for watching!
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