Команда биологов и математиков из университетов Мюнстера и Эрлангена-Нюрнберга разработала новый метод анализа процессов миграции клеток в живых организмах. Исследователи изучили, как примордиальные половые клетки, способ передвижения которых аналогичен другим типам мигрирующих клеток, включая раковые клетки, ведут себя у эмбрионов рыбок данио, когда они лишены их биохимического ориентира. Команда разработала новое программное обеспечение, которое позволяет объединять трехмерные микроскопические изображения нескольких эмбрионов, чтобы распознавать закономерности в распределении клеток и, таким образом, выделять ткани, которые влияют на миграцию клеток.
С помощью программного обеспечения исследователи определили домены, которые клетки либо избегали, на которые они реагировали путем кластеризации, либо в которых они сохраняли свое нормальное распределение. Таким образом они определили физический барьер на границе будущего позвоночника организма, где клетки изменили свой путь. «Мы ожидаем, что наш экспериментальный подход и недавно разработанные инструменты принесут большую пользу в исследованиях в области биологии развития, клеточной биологии и биомедицины», – объясняет профессор д-р Эрез Раз, клеточный биолог и директор проекта Центра молекулярной биологии воспаления. Мюнстерский университет.
Исследование опубликовано в журнале Science Advances.
Подробно о методах и результатах
Для своих исследований исследователи использовали первичные половые клетки эмбрионов рыбок данио. Первичные половые клетки являются предшественниками сперматозоидов и яйцеклеток и в процессе развития многих организмов мигрируют в места, где формируются репродуктивные органы.
В норме эти клетки управляются хемокинами – i.е. аттрактанты, продуцируемые окружающими клетками, которые инициируют сигнальные пути путем связывания с рецепторами на первичных половых клетках. Путем генетической модификации клеток ученые деактивировали хемокиновый рецептор Cxcr4b, так что клетки оставались подвижными, но больше не мигрировали направленно. «Наша идея заключалась в том, что распределение клеток в организме, когда оно не контролируется управляющими сигналами, может дать ключ к пониманию того, какие ткани влияют на миграцию клеток, а затем мы можем проанализировать свойства этих тканей», – объясняет ?Укаш Трушковски, один из трех ведущих авторов исследования.
«Чтобы получить статистически значимые данные о пространственном распределении мигрирующих клеток, нам потребовалось изучить несколько сотен эмбрионов рыбок данио, потому что на стадии развития, на которой клетки активно мигрируют, один эмбрион имеет всего около 20 первичных зародышевых клеток», – говорит он.
Саргон Гро?-Тебинг, также первый автор и, как и его коллега, аспирант в аспирантуре Межфакультетского центра «Клетки в движении» Мюнстерского университета. Чтобы объединить в цифровом виде трехмерные данные нескольких эмбрионов, исследователи-биологи объединили усилия с командой во главе с математиком профессором доктором Мартином Бургером, который в то время также проводил исследования в Университете Мюнстера и теперь продолжает сотрудничество. из Университета Эрланген-Нюрнберг. Команда разработала новый программный инструмент, который автоматически объединяет данные и распознает закономерности в распределении первичных половых клеток.
Задача заключалась в том, чтобы учесть различные размеры и формы отдельных эмбрионов рыбок данио и их точную трехмерную ориентацию на изображениях под микроскопом.
Программа под названием «Пейзаж» выравнивает изображения, полученные от всех эмбрионов, друг с другом. «Основываясь на сегментации ядер клеток, мы можем оценить форму эмбрионов и скорректировать их размер. После этого мы корректируем ориентацию организмов », – говорит математик доктор Дэниел Тенбринк, третий ведущий автор исследования.
При этом ткань по средней линии эмбриона служит эталонной структурой, которая отмечена тканеспецифической экспрессией так называемого зеленого флуоресцентного белка (GFP). На техническом жаргоне весь процесс называется регистрацией изображений. Ученые проверили надежность своих алгоритмов, сделав несколько изображений одного и того же эмбриона, изменив их размер и ориентацию изображения и проверив способность программного обеспечения корректировать манипуляции.
Чтобы оценить способность программного обеспечения распознавать паттерны накопления клеток, они использовали микроскопические изображения нормально развивающихся эмбрионов, на которых мигрирующие клетки накапливаются в известном конкретном месте эмбриона. Исследователи также продемонстрировали, что программное обеспечение может быть применено к эмбрионам другой экспериментальной модели, эмбрионам плодовой мушки Drosophila, форма которых отличается от формы эмбрионов рыбок данио.
Используя новый метод, исследователи проанализировали распределение 21000 первичных половых клеток в 900 эмбрионах рыбок данио. Как и ожидалось, клетки, лишенные рецептора хемокинов, были распределены по схеме, которая отличается от того, что наблюдается у нормальных эмбрионов. Однако клетки были распределены по определенному шаблону, который нельзя было распознать при мониторинге отдельных эмбрионов.
Например, по средней линии эмбриона клетки отсутствовали. Исследователи более внимательно изучили эту область и обнаружили, что она действует как физический барьер для клеток.
Когда клетки соприкасались с этой границей, они меняли распределение белка актина внутри себя, что, в свою очередь, приводило к изменению направления миграции клеток и их перемещению от барьера. Более глубокое понимание того, как клетки реагируют на физические барьеры, может иметь значение для метастатических раковых клеток, которые проникают в соседние ткани, и где этот процесс может быть нарушен.