Jak komórki poruszają się szybciej przez śluz niż krew

Naukowcy z Uniwersytetu w Toronto, Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa i Uniwersytetu Vanderbilta odkryli, że niektóre komórki poruszają się zaskakująco szybciej w gęstym płynie – pomyślmy o miodzie w porównaniu z wodą lub śluzie w porównaniu z krwią – ponieważ ich pofałdowane krawędzie wyczuwają lepkość otoczenia i dostosowują się, aby zwiększyć swoją prędkość.

Wyniki uzyskane w komórkach nowotworowych i fibroblastach – typach, które często tworzą blizny w tkankach – sugerują, że lepkość otaczającego komórki środowiska jest ważnym czynnikiem przyczyniającym się do rozwoju choroby i może pomóc wyjaśnić progresję guzów, blizny w wypełnionych śluzem płucach dotkniętych mukowiscydozą oraz proces gojenia się ran.

Badanie, „Membrane ruffling is a mechanosensor of extracellular fluid viscosity”, opublikowane dzisiaj w Nature Physics, rzuca nowe światło na środowiska komórkowe, niedostatecznie zbadany obszar badań.

„Ten związek między lepkością komórek a ich przyczepnością nigdy wcześniej nie został wykazany”, mówi Sergey Plotnikov, adiunkt w Departamencie Biologii Komórki i Systemów na Wydziale Sztuki i Nauki Uniwersytetu w Toronto i współodpowiedzialny autor badania. „Odkryliśmy, że im grubsze otoczenie, tym silniej komórki przylegają do podłoża i tym szybciej się poruszają – zupełnie jak chodzenie po oblodzonej powierzchni w butach, które mają kolce, w porównaniu z butami bez żadnej przyczepności”.

Zrozumienie, dlaczego komórki zachowują się w ten zaskakujący sposób, jest ważne, ponieważ guzy nowotworowe tworzą lepkie środowisko, co oznacza, że rozprzestrzeniające się komórki mogą przemieszczać się do guzów szybciej niż tkanki nienowotworowe. Ponieważ badacze zaobserwowali, że komórki nowotworowe przyspieszają w zagęszczonym środowisku, doszli do wniosku, że rozwój poszarpanych krawędzi w komórkach nowotworowych może przyczyniać się do rozprzestrzeniania się raka na inne obszary ciała.

Z kolei ukierunkowanie reakcji rozprzestrzeniania się w fibroblastach może zmniejszyć uszkodzenia tkanek w wypełnionych śluzem płucach dotkniętych mukowiscydozą. Ponieważ zrujnowane fibroblasty poruszają się szybko, są pierwszym typem komórek, które przemieszczają się przez śluz do rany, przyczyniając się do powstawania blizn, a nie do gojenia. Wyniki te mogą również sugerować, że zmieniając lepkość śluzu w płucach, można kontrolować ruch komórek.

„Pokazując, jak komórki reagują na to, co jest wokół nich, i opisując fizyczne właściwości tego obszaru, możemy dowiedzieć się, co wpływa na ich zachowanie i ostatecznie jak na nie wpływać” – mówi Ernest Iu, doktorant w Department of Cell and Systems Biology na Wydziale Arts & Science Uniwersytetu w Toronto i współautor badania.

Plotnikov dodaje: „Na przykład, być może, jeśli włożysz do rany płyn tak gęsty jak miód, komórki będą poruszać się w niej głębiej i szybciej, tym samym gojąc ją skuteczniej.”

Plotnikov i Iu wykorzystali zaawansowane techniki mikroskopowe do pomiaru trakcji, jaką wywierają komórki, aby się poruszać, oraz zmian w cząsteczkach strukturalnych wewnątrz komórek. Porównali komórki rakowe i fibroblastów, które mają pofałdowane krawędzie, z komórkami o gładkich krawędziach. Stwierdzili, że pofałdowane krawędzie komórek wyczuwają zagęszczone środowisko, wywołując reakcję, która pozwala komórce przeciągnąć opór – fałdy spłaszczają się, rozchodzą i przyczepiają do otaczającej powierzchni.

Eksperyment powstał w Johns Hopkins, gdzie Yun Chen, adiunkt na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i główny autor badania, oraz Matthew Pittman, doktorant i pierwszy autor, po raz pierwszy badali ruch komórek rakowych. Pittman stworzył lepki, przypominający śluz roztwór polimeru, umieścił go na różnych typach komórek i zauważył, że komórki nowotworowe poruszały się szybciej niż komórki nienowotworowe podczas migracji przez gęstą ciecz. Aby dokładniej zbadać to zachowanie, Chen współpracował z Plotnikovem z U.T., który specjalizuje się w pchaniu i ciągnięciu ruchu komórek.

Plotnikov był zdumiony zmianą prędkości wchodzenia w gęsty, przypominający śluz płyn. „Normalnie pod mikroskopem patrzymy na powolne, subtelne zmiany, ale mogliśmy zobaczyć, jak komórki poruszają się dwa razy szybciej w czasie rzeczywistym i rozprzestrzeniają się do podwójnego pierwotnego rozmiaru” – mówi.

Zazwyczaj ruch komórek zależy od białek miozyny, które pomagają mięśniom się kurczyć. Plotnikov i Iu doszli do wniosku, że zatrzymanie miozyny uniemożliwiłoby komórkom rozprzestrzenianie się, jednak byli zaskoczeni, gdy okazało się, że komórki nadal przyspieszają pomimo tego działania. Zamiast tego odkryli, że kolumny białka aktyny wewnątrz komórki, które przyczynia się do skurczu mięśni, stały się bardziej stabilne w odpowiedzi na gęstą ciecz, dalej wypychając krawędź komórki.

Zespoły badają teraz, jak spowolnić ruch zrujnowanych komórek przez zagęszczone środowiska, co może otworzyć drzwi do nowych terapii dla osób dotkniętych rakiem i mukowiscydozą.

Finansowanie badań pochodziło z Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, Canadian Institutes of Health Research, Canadian Network for Research and Innovation in Machining Technology, Ontario Graduate Scholarship, U.S. Department of Health & Human Services oraz United States Department of Defense.

Źródło: University of Toronto. Josslyn Johnstone