Раскрыт механизм миграции клеток

Исследование, выполненное специалистами из Гарвардской Школы Инженерии и Прикладных Наук (Harvard's School of Engineering and Applied Sciences или SEAS) и Университета Флориды (University of Florida) расширяет представление ученых о процессе эмбрионального развития, а также о механизмах заживления ран и метастазирования опухолевых клеток.

Результаты исследования были опубликованы он-лайн в февральском номере авторитетного журнала Proceedings of the National Academy of Sciences.

Клетки часто перемещаются из одной части тела в другую. Например, в развивающемся эмбрионе клетки трех зародышевых листков должны расположиться таким образом, чтобы те из них, которые затем превратятся в эпителиоциты кожи, оказались на поверхности эмбриона. Рост опухоли напоминает этот процесс: раковые клетки размножаются и распространяются в другие области организма. Эти процессы также напоминают заживление раны, во время которого новые клетки должны заместить поврежденные ткани.

Хорошо известно, что движение клеток осуществляется благодаря перестройке их внутреннего каркаса – цитоскелета. Изменения цитоскелета позволяют клеткам вытягиваться, сокращаться и делиться. В какой-то момент мигрирующая клетка «оседает» в новой ткани и ее перемещение останавливается.

«Мы пытаемся понять процесс миграции клеток с фундаментальной точки зрения, - говорит руководитель исследования Дэвид Вайтц (David Weitz), - Нашей задачей было понять, почему клетки перестают двигаться. Стекло, которое мы приводим в качестве примера при обсуждении результатов исследования, это не то стекло, которое используется для изготовления окон. К «стеклам» относится любой аморфный материал, обладающий достаточной вязкостью, чтобы оставаться в твердом состоянии определенный период времени, но в то же время способный течь».

Сливки, которые сбивают в масло, проходят стадию, напоминающую превращение в стекло, когда увеличивающаяся плотность частиц в жидкой эмульсии способствует их затвердению. Наподобие любого «стекла» при повышении температуры масло теряет свою форму.

В тот момент, когда переохлажденные жидкости и коллоидные растворы, например, сливки, становятся более плотными и переходят в стекловидное состояние, частицы этого раствора совершают определенные движения.

«Мы исследуем движения частиц при переходе из одного состояния раствора в другое, - рассказывает Дэвид Вайтц, – Мы берем маленькие частицы и увеличиваем их концентрацию до того момента, пока они не прекратят свое движение и не образуют стекло, поэтому мы хорошо представляем этот процесс».

Живые клетки в несколько раз усложняют процессы, происходящие в системе, в которой они находятся. Клетки различаются по размеру, форме и жесткости, способны к делению, чувствуют воздействие окружающей среды и влияют на свое окружение.

«Проводя это исследование тканей, мы были удивлены, что многие свойства, которые проявляют инертные частицы при повышении их концентрации в коллоидной жидкости, также свойственные живым клеткам. Качественное различие между клетками и стеклом заключается в том, что маленькие частицы передвигаются только в результате изменения температуры, в то время как клетки перемещаются сами», - говорит Вайтц.

Для того чтобы стимулировать и изучить миграцию клеток в живой ткани команда ученых под руководством Вайтца поместила тысячи эпителиальных клеток, полученных из почек собак, в полиакриламидный гель, содержащий белок коллаген. Ученые наблюдали за ростом и перемещением клеток под микроскопом, оценивая движение как отдельных клеток, так и клеток, объединенных в группы. Исследователи также измеряли изменения плотности клеточного слоя, вызванные делением клеток.

Результаты исследования показали, что, когда клетки находятся в конфлюэнтном слое, т.е. на достаточно близком для соприкосновения расстоянии друг от друга, они начинают течь, подобно вязкой жидкости. Но когда плотность клеток достигает определенного значения, плотно соединенные клетки начинают блокировать перемещение других клеток. В результате некоторые клетки перемещаются группами, а некоторые - теряют способность передвигаться. Другими словами, поведение клеток напоминает поведение переохлажденной жидкости или коллоидной суспензии, превращающейся в стекло.

«Удивляют последствия этого явления для протекания биологических процессов. Представьте модель раны, в которой большая группа клеток перемещается из середины конфлюэнтного слоя. Клетки будут мигрировать внутрь для того, чтобы заполнить пустоту. Результаты нашего исследования показывают, что низкая клеточная плотность в центре раны сравнима с повышенной температурой в центре молекулярного стекла, приводящей к перемещению потока частиц в более горячую область. Таким образом, рану можно сравнить с расплавленным стеклом», - говорит один из авторов исследования Томас Э. Анджелини (Thomas E. Angelini).


Так художник представил переход эпителия клеток (черный цвет) в стеклообразное состояние (голубой цвет). Постепенно увеличивается число групп клеток (зеленый, фиолетовый, красный цвета), способных двигаться быстрее окружающих клеток (Иллюстрация: Thomas E. Angelini, Университет Флориды).

По материалам:
Harvard University

Оригинальная статья:
Thomas E. Angelini, Edouard Hannezo, Xavier Trepat, Manuel Marquez, Jeffrey J. Fredberg, David A. Weitz. Glass-like dynamics of collective cell migration. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2011; DOI: 10.1073/pnas.1010059108