细胞移动,移动它!理解细胞迁移背后的机制是一个重要的拼图的许多基本的生物过程和病态。本文探究了教科书模型细胞迁移,最近的见解对运动模式和管理机制,强调了技术推动细胞迁移的研究。
细胞迁移和它的重要性在健康和疾病
细胞迁移是一个广泛的术语用来描述细胞的翻译从一个位置到另一个地方。有很多依赖这种基本的生物过程,如胚胎发育1伤口愈合,2和受精。
另一方面,细胞的迁移还在病理发展中起着重要作用,比如癌症转移3和自身免疫性疾病。兴趣理解细胞迁移提高了再生医学,是基于希望知识的精确机制细胞迁移可用于创建新颖的治疗方法。
布兰登贝克,密歇根大学的生物医学工程助理教授指出,再生医学有很多方法可以帮助改善我们的理解细胞微环境及其对细胞迁移的影响。他列出了几个例子:
“干细胞疗法需要动员和目标细胞修复目的网站,目标是整合是否分化干细胞受损组织或细胞因子和生长因子诱导局部再生反应。
能够控制细胞迁移也会与皮肤伤口愈合的设计对烧伤患者移植或糖尿病患者,在理想情况下细胞引导从附近的健康组织入侵到移植安排一系列复杂的特异性过程——包括新血管内皮细胞的形成,生产或恢复矩阵的成纤维细胞和角质细胞组织愈合。”
细胞迁移研究中大大受益,跳跃在成像技术和生物工程,露出迷人的洞察细胞移动,和机制,推动他们的能动性。
教科书告诉我们什么细胞迁移
在原核生物和精子细胞可以用鞭毛和纤毛推动自己向前,真核细胞迁移通常依赖于剧烈的变化由细胞骨架在细胞形状。的一个主要迁徙行为显示细胞被称为教科书的间充质细胞迁移模型。4
在间充质迁移,能动的细胞表现出细胞的前沿,这被认为是由扩展的分支网络的肌动蛋白丝聚合下的等离子体膜。5前缘扩展,粘附点使细胞获得接触其表面。同时,后方的粘连细胞必须拆卸,使生产力向前移动的细胞。
有两个主要模型的细胞活性,提出了在过去的几十年里,这很大程度上不同细胞的后缘的拆卸,在收缩阶段细胞的运动。这里描述的模型,下面的视频:
- 细胞骨架模型的运动:肌动蛋白聚合的蛋白质快速形成细丝和分支网络前沿的细胞,细胞膜向前推。同时,微管在细胞的后缘执行两个主要功能,使细胞是动态的;作为舵操纵细胞,和作为一个锚阻止细胞移动。
- 膜流模型,在这个模型中,部分质膜的细胞内吞,,搬到前面的细胞。一些囊泡是质膜制成的,但是和其他含有整合素蛋白将细胞对细胞外基质细胞骨架。
视频来源:汗学院
两种模型是否发挥作用,或者只有一个,仍然是一个争议的问题。4
变形运动是另一个主要类别的细胞迁移,指圆或椭圆的运动细胞,缺乏成熟的焦粘连形成的蛋白质机械细胞内肌动蛋白和细胞外基质之间的联系。6有两种亚型的变形运动,它是由细胞是否拉底物(通常是弱相互作用)(行动的推进,推动模式)。变形运动最近进入了人们的视线,当树突细胞被证明之前调查不同的路径选择最宽的道路,当导航路线选项在微流体模型。7原子核的位置被发现的策略行动的基础,定位细胞核在前面,细胞可以利用他们的笨重的隔间机械表。胞质突起证明收回来自小毛孔,一旦核和微管组织中心密切相关了最大的孔隙。
看:白细胞如何选择阻力最小的路径
非常规运动模式显示
谁会想到细胞可以推动自己向前像弹弓? !间充质细胞迁移形成鲜明对比,人类成纤维细胞已经被观察到应用部队段周围的矩阵,然后“弹弓”自己。8这种独特的运动导致细胞旅行速度比先前记录的五倍多。
观察来自密歇根大学一个研究小组,谁开发3 d矩阵模拟本地组织的纤维结构特征。这些生物材料的一致性和刚度可以调整,使集团探讨间质组织的属性可能会阻碍或促进细胞迁移。
在僵硬的矩阵,细胞运动与细胞迁移的间叶细胞模型是相一致的。然而,细胞变形矩阵显示不同的方法,和拉伸纤维矩阵来存储弹性能量。因此,最终失去后方的粘附细胞诱导矩阵反冲和突然,快速细胞易位。
的程度矩阵比较这些发现在活的有机体内很难评估,但贝克的实验室组调力学范围匹配值的组织团体在文献中报道。
视频来源:贝克实验室,密歇根大学
这项工作亮点设计生物材料的可能性,迅速招募修复细胞伤口网站,速度可以援助组织的移植成功。要做到这一点,比刚度矩阵需要优化。贝克阐述其他注意事项:
“再生疗法,我们需要考虑厚很多,更多的三维结构,这将需要考虑孔隙大小。在我毕业工作,我们表明,支架由厚厚的类似纤维通常阻止细胞入侵和殖民材料,除非足够的孔隙大小是工程材料。
我们在这项工作中涉及的另一个特点是联系指导——这就是结构线索指导指导细胞迁移(迁移方向规定)。考虑大型3 d支架对于再生医学应用程序,我们需要工程师指导暗示支持入侵的材料。所以我们不但要考虑生物材料的力学,但结构线索直接细胞迁移和足够的孔隙度承受细胞移动的能力,一个关键的挑战是,这三个方面是相互关联的。”
掌握蛋白质协调结构变化
理解的结构线索直接细胞迁移一直关注的一个焦点丹尼尔Lietha首席研究员,最近他的团队转移到生物研究中心(CIB)西班牙研究委员会(CSIC)在马德里,西班牙。在以前在西班牙国家癌症研究中心(CNIO),他的团队专注于理解的变化促使构象变化粘着斑激酶(FAK),一个关键信号分子调节细胞粘附、迁移和生存。FAK驱动信号必不可少的粘着斑形成和板状伪足的形成——“脚”出现在细胞的前缘。平时,FAK分散在细胞质中,可以发现活性焦粘连。
Lietha解释背后的基本原理建立什么刺激FAK激活:
“如果你知道FAK被激活,你也许可以在侵袭性肿瘤,为了防止这种情况的发生,FAK信号是关键。它也是有趣的从科学的观点。它一直知道,迫使应用通过肌动球蛋白收缩激活信号病灶粘连。但机械力是如何转化的生化信号,什么是力传感器,是未知的。”
假设FAK可以作为传感器的变化在细胞外和细胞内框架,Lietha和他的团队使用原子力显微镜(AFM)的收缩产生的力来模拟细胞骨架肌动蛋白丝。9结合他们的测量与FAK和force-probe分子动力学模拟的结构信息,定义结构特点展开的FAK可以解释为测量力的变化。Lietha解释如何利用AFM在这项研究中:
“单分子(在我们的例子中FAK)可以附加在AFM表面和悬臂之间,和扩展与纳米测量精度,同时迫使piconewton准确性。”
FAK经常在癌症,这些发现是特别相关的抗癌药物的设计,抑制FAK的催化和脚手架功能。
多样化的研究方法是推动细胞迁移研究向前发展
像许多其他领域的生物学、细胞迁移的研究从跨领域技术进步中获益良多。虽然基因编辑工具,如CRISPR允许特定角色的基因转移的研究10,简化模型仍然相关。鱼表皮角膜细胞,在鱼的皮肤愈合细胞,研究已经证明是有价值的——部分是因为他们简单的形状允许管理基本原理的描述他们的运动。11当鱼表皮,可见移动迅速,伟大的见解可以通过单粒子扩散粒子的跟踪。123 d成像方面的进展允许这些简化模型再现;2018年,Okimura等。描述了具体安排迁移的速度爬行,可见纤维的关键。13荧光探针的发展允许实时追踪,荧光标记细胞在外植体文化中或直接在活的动物活体的。14
人工环境等可调设计矩阵和微流体平台使研究人员询问具体问题如何细胞组织方式度过,和成像技术的进步已经彻底改变了我们找到答案的能力。
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