Uma introdução à motilidade celular e migração

A motilidade celular é necessária para muitos processos fisiológicos e patológicos, incluindo migração celular durante o desenvolvimento embrionário, movimento de glóbulos brancos em resposta à infecção e células cancerígenas submetidas à metástase. Duas proteínas celulares, actina e miosina, formam os principais blocos de construção do aparelho de motilidade.

Neste vídeo introdutório, vamos rever algumas das descobertas marcantes no campo da motilidade celular e migração. Em seguida, destacaremos algumas perguntas sem resposta sobre a motilidade celular, seguidas de uma discussão sobre ferramentas clássicas e avançadas usadas para estudar motilidade. Finalmente, vamos terminar com alguns experimentos de exemplo.

Vamos começar olhando para as descobertas importantes associadas a este campo.

No século^XVII, Anton van Leeuwenhoek, com a ajuda de um microscópio, tornou-se a primeira pessoa a observar o movimento de espermatozoides e bactérias. Alguns séculos depois, Theodor Wilhelm Engelmann e Wilhelm Pfeffer descobriram movimento bacteriano orientado por estímulos, incluindo: fototaxis, que é o movimento influenciado pela luz; quimitaxis — movimento em direção a várias substâncias químicas; e aerotáxi — movimento em resposta ao oxigênio. Na mesma época, Ilya Metchnikoff realizou um experimento fascinante no qual ele espetou a larva de estrela-do-mar transparente com um espinho de rosa, e observou células movendo-se de outras partes do corpo para a ferida. Isso levou à noção de leucócitos migrando para um local de lesão, pioneiro no campo da imunologia.

A compreensão do mecanismo do movimento celular começou alguns anos antes, ao estudar um fenômeno aparentemente não relacionado : contração muscular. Em 1859, Wilhelm Kühne isolou uma proteína muscular que ele achava ser responsável por sua rigidez, e a chamou de mosina.

Em 1942, Brunó Ferenc Straub descobriu que os preparativos da "minosina" continham uma proteína secundária, actina. Sabemos agora que actina e minosina interagem para formar o complexo de actomiose, que produz contração. Em 1974, Margaret Clarke, enquanto trabalhava sob o comando de James Spudich, caracterizou estruturas semelhantes à actomyosina no molde de lodo Dictyostelium, e sugeriu seu envolvimento no movimento celular não-muscular.

Em 1983, Spudich, juntamente com Michael Sheetz, desenvolveu um modelo de actomyosina in vitro, que abriu o caminho para nossa compreensão atual de seu mecanismo. Sabemos agora que a ATP, uma molécula de "alta energia" nas células, liga-se à miosina e permite que a molécula de minosina "rasteje" ao longo de uma molécula de actina paralela, gerando assim uma força contratil que em células não musculares pode puxar a célula para a frente durante a migração.

Após o breve esboço histórico, vamos discutir algumas perguntas sobre motilidade celular que os cientistas estão fazendo hoje.

Os pesquisadores estão interessados em aprender como as pistas ambientais direcionam o movimento celular. As células se movem em resposta a uma variedade de sinais, incluindo aqueles que impulsionam o desenvolvimento embrionário, ou alertam as células imunes para locais de infecção. Esses sinais geralmente são compostos químicos liberados por algumas células para induzir a migração de um tipo específico de células em direção a elas. Portanto, estudar o mecanismo dessa indução de quimiotaxis pode ajudar os cientistas a entender melhor os distúrbios em que a migração celular é interrompida.

Outra área importante de investigação diz respeito ao maquinário molecular que as células usam para se mover. Além do aparelho de actomiose que permite que células com formas flexíveis ampliem as saliências e "rastem" ao longo das superfícies, os pesquisadores também buscam entender como a motilidade celular pode ser impulsionada por outros elementos citoesqueléticos, como os microtúbulos que formam o "eixo" das caudas de espermatozoides, bem como as máquinas moleculares complexas que formam flagela bacteriana.

Finalmente, alguns cientistas exploram como as células interagem entre si e migram juntas em grupos, que ocorrem em embriogênese precoce, bem como no processo de cicatrização da ferida.

Além disso, como as células do corpo realmente existem dentro de uma malha de moléculas conhecidas como matriz extracelular, abreviadas como ECM, investigar como as células interagem e invadem o ECM pode ajudar a entender fenômenos como a metástase do câncer.

Agora que temos uma ideia das perguntas que estão sendo feitas no campo, vamos aprender sobre algumas técnicas proeminentes sendo empregadas.

O ensaio de arranhões é usado para modelar como as células epiteliais repovoam uma área aberta — um processo semelhante à cicatrização de feridas. Neste procedimento, uma ferida é criada executando uma ponta de pipeta através do prato de cultura celular. À medida que as células voltam a crescer nessa lacuna ao longo do tempo, suas trajetórias de movimento podem ser rastreadas usando software de rastreamento para avaliar a velocidade de movimento e o deslocamento.

O ensaio de migração transwell é outro método clássico usado para estudar a quimioterapia, que é o processo de atração quimicamente de células. Neste ensaio, a solução de quimioterapia é adicionada aos poços, então as câmaras transwell são colocadas dentro desses poços e, finalmente, um tipo de célula migratória é adicionado na parte superior da membrana. O número de células migrando em direção ao quimioattractant pode ser contado usando um microscópio e hemótmetro.

Os avanços nas técnicas de engenharia permitiram a construção de dispositivos microfluidos, compostos por canais microfíbridos gravados em uma superfície adequada. Para experimentos de migração, o canal geralmente tem duas portas: uma para a adição de uma suspensão celular e outra para a adição de um estímulo químico. O efeito do estímulo no comportamento migratório das células pode então ser estudado sob um microscópio.

Para estudar a invasão de células no ECM, os pesquisadores podem realizar ensaios de invasão 3D. Neste método, os cientistas culturalm células em matrizes tridimensionais feitas de componentes como o colágeno. Então, com a ajuda de software sofisticado, eles podem rastrear a invasão em três dimensões. Este método é particularmente útil para estudar o desenvolvimento de tumores.

Finalmente, a microscopia de fluorescência de lapso de tempo pode ser usada para rastrear células vivas in vivo. Genes que codificam proteínas fluorescentes podem ser introduzidos em um modelo animal. O caminho migratório das células que agora expressam proteínas fluorescentes pode ser traçado usando métodos sofisticados de imagem, como microscopia de dois fótons.

Agora, vamos examinar algumas aplicações atuais desses ensaios de motilidade celular e migração.

Como discutido, a migração celular desempenha um papel crítico na metástase tumoral. Aqui, os cientistas cultivaram células tumorais embutidas em uma matriz juntamente com fatias cerebrais em uma câmara transwell. Após a incubação, as amostras foram manchadas e analisadas por imunofluorescência. Os resultados demonstraram a invasão por células tumorais nas fatias cerebrais.

Após a infecção, as células liberam quimiocinas, que são proteínas quimiutractantes que induzem a migração de neutrófilos. Neutrófilos são células fagocíticas, que fazem parte integrante do sistema imunológico inato. Aqui, os pesquisadores avaliaram esse fenômeno usando um ensaio de migração transwell. Eles banhavam células epiteliais infectadas por bactérias na parte inferior da membrana, enquanto os neutrófilos eram cultivados na parte superior. Os resultados mostraram migração significativa de neutrófilos na presença de células infectadas.

Finalmente, ensaios de câmara microfluidic podem ser usados para examinar quimotáxis bacterianas. Aqui, os cientistas avaliaram propriedades atraídas e repelente de duas substâncias - L-aspartato e sulfato de níquel - usando uma câmara microfluida especializada que poderia testar várias concentrações em um experimento. Os dados obtidos demonstraram que, com o aumento da concentração de atrativos e repelentes, a migração bacteriana para e para longe das moléculas de teste também aumentou, respectivamente.

Você acabou de assistir a introdução do JoVE à motilidade celular e migração. Nesta apresentação, revisamos os principais marcos do estudo da motilidade celular e da migração. Em seguida, discutimos algumas perguntas atuais sendo feitas, e ferramentas sendo usadas em laboratórios hoje. Por fim, alguns experimentos de exemplo destacaram aplicações dessas técnicas. Como sempre, obrigado por assistir!