Многие жизненно важные биологические процессы, такие как рост, заживление ран и иммунный ответ на патогены, требуют активного движения клеток. Воспаление и метастазирование также связаны с миграцией определенных видов клеток через ткани в отдаленные места. Детальное понимание механизмов, лежащих в основе миграции клеток – отдельных клеток и небольших когорт клеток, а также скоординированного передвижения коллективов клеток на тканевом уровне – обещает прояснить основу одного из фундаментальных свойств клеток.
Группа исследователей во главе с физиком-теоретиком из LMU Эрвином Фреем (профессором статистической физики и биофизики в LMU) разработала новую модель, которая способна описывать как в микроскопическом, так и в макроскопическом масштабе движения клеток на плоских поверхностях, которые дает новое понимание коллективной динамики клеток. Авторы сообщают о своих выводах в онлайн-журнале eLife.
Было построено множество моделей, которые стремятся объяснить либо динамику отдельных ячеек, либо движения ячеек. Однако интеграция обоих подходов в единую модель представляет собой серьезную проблему.
Во многом это связано с тем, что уровни абстракции, необходимые для захвата необходимой феноменологии, сильно различаются из-за различий в масштабе. Теоретическая модель, построенная Фреем и его учениками, специально разработана для устранения разрыва между парадигмами, которые применялись для анализа локомоции клеток как в одноклеточном, так и в многоклеточном масштабе. Это достигается путем представления взаимодействия ячеек с нижележащим субстратом в виде сотовой решетки контактных участков, а также с учетом адгезионных контактов между ячейками. «В отличие от типичных макроскопических подходов к моделированию передвижения на тканевом уровне, наша модель явно включает соответствующие свойства отдельных клеток, такие как поляризация клеток, структура цитоскелета и способность активно реконфигурировать организацию цитоскелета в ответ. механическим сигналам ", – поясняет Андрей Гойчук, первый соавтор статьи. «Тем не менее, в отличие от стратегий, которые зависят от микроскопического анализа изменений формы отдельных клеток, которые требуют больших вычислительных затрат, наша структура полностью основана на правилах и достаточно эффективна, чтобы сделать возможным моделирование на уровне ткани."
Как показывает новое исследование, модель может быть использована для исследования миграционного поведения отдельных клеток, перехода к коллективному движению клеток и скоординированного движения продвигающихся эпителиальных слоев, состоящих из нескольких тысяч клеток, которые участвуют в заживлении ран. Анализ и моделирование на основе модели выявили связи между конкретными клеточными параметрами и характерными паттернами движения, которые точно отражают экспериментальные результаты.
Среди прочего, авторы обнаружили, что силы, проявляемые цитоскелетом в местах контакта клетки с субстратом, и сократительная способность цитоскелетной сети на внутренней поверхности клеточной мембраны играют жизненно важную роль в локомоторном поведении. Кроме того, существует определенная взаимосвязь между размножением клеток из-за механического давления внутри монослоя и ростом клеток, зависящим от плотности, что приводит к определенным паттернам многоклеточной миграции. «Наши результаты представляют собой значительный прогресс в нашем понимании коллективной миграции на плоских подложках», – говорит Фрей. «Кроме того, наша новая модель предоставляет нам очень гибкий инструмент для изучения миграционного поведения клеток в широком диапазоне контекстов, а также очень универсальный исследовательский инструмент для дальнейших исследований в этой области."