Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Коллективная миграция клеток описывает движения группы клеток и возникновение коллективного поведения в результате взаимодействий между клетками и окружающей средой и межклеточной коммуникации. Коллективная миграция клеток - важный процесс в жизни многоклеточных организмов , например, эмбриональное развитие , заживление ран и распространение рака ( метастазирование ). [1] Клетки могут мигрировать как сплоченная группа (например, эпителиальные клетки ) или иметь временные участки межклеточной адгезии (например, мезенхимальные клетки). [2] Они также могут перемещаться в различных режимах, таких как листы, пряди, трубки и кластеры. [3] ХотяОдноклеточная миграция широко изучалась, коллективная миграция клеток - относительно новая область с приложениями для предотвращения врожденных дефектов или дисфункции эмбрионов. Это может улучшить лечение рака, позволяя врачам предотвращать распространение опухолей и образование новых опухолей.

Взаимодействие клетки и окружающей среды [ править ]

Окружающая среда мигрирующей клетки может влиять на ее скорость, устойчивость и направление миграции, стимулируя ее. Внеклеточный матрикс (ECM) обеспечивает не только структурную и биохимическую поддержку, но и играет важную роль в регуляции поведения клеток. Различные белки ЕСМ (такие как коллаген , эластин , фибронектин , ламинин и другие) позволяют клеткам прилипать и мигрировать, образуя при этом очаговые спайки спереди и разбирая их сзади. Используя эти сайты адгезии, клетки также ощущают механические свойства ЕСМ. Клетки могут руководствоваться градиентом этих белков ( гаптотаксис) или градиент растворимых субстратов в жидкой фазе, окружающей клетку ( хемотаксис ). Клетки ощущают субстрат через свои рецепторы и мигрируют в сторону концентрации (или в противоположном направлении). Другой формой стимуляции могут быть градиенты жесткости ВКМ ( дуротаксис ). [ необходима цитата ]

Заключение [ править ]

Коллективная миграция клеток усиливается за счет геометрического ограничения молекулы внеклеточного матрикса (например, протеогликана версикана в клетках нервного гребня ), которая действует как барьер, способствующий возникновению организованной миграции в разделенных потоках. Конфайнмент также наблюдается in vivo , где оптимальная ширина зависит от количества мигрирующих клеток в разных потоках разных видов . [4]

Связь между ячейками [ править ]

Мигрирующая изолированная клетка реагирует на сигналы окружающей среды и соответственно меняет свое поведение. Поскольку межклеточная коммуникация в этом случае не играет большой роли, сходные траектории наблюдаются в разных изолированных клетках. Однако, когда клетка мигрирует как часть коллектива, она не только реагирует на окружающую среду, но также взаимодействует с другими клетками через растворимые субстраты и физический контакт. Эти механизмы межклеточной коммуникации являются основными причинами разницы между эффективной миграцией коллективных и случайных блужданий изолированной клетки. Механизмы межклеточной коммуникации широко изучаются экспериментально ( in vivo и in vitro ), [5] и компьютерно ( in silico ).[6]

Совместное притяжение [ править ]

Совместное притяжение между коллективно мигрирующими клетками - это процесс, с помощью которого клетки одного типа секретируют хемоаттрактант (например, C3a в клетках нервного гребня), который стимулирует другие клетки в группе, которые имеют рецепторы к этому хемоаттрактанту. Клетки ощущают секретируемый субстрат и реагируют на стимуляцию, двигаясь навстречу друг другу, и поддерживают высокую плотность клеток. [7] [8]

Контактное торможение передвижения [ править ]

Контактное торможение передвижения (CIL) - это процесс, при котором клетка меняет направление движения после столкновения с другой клеткой. Эти клетки могут быть одного или разных типов. Контакты ( межклеточные соединения ) создаются трансмембранными гликопротеинами, называемыми кадгеринами ( E-кадгерин , N-кадгерин или кадгерин 11 ) и другими белками . После контакта ячейка-ячейка выступы ячеек в направлении контакта подавляются. В процессе CIL клетки мигрируют друг от друга, реполяризуясь в новом направлении, так что впереди образуются новые выступы, в то время как сокращения оттягивают назад от контакта. [цитата необходима ]

  • Контактное ингибирование пролиферации (CIP) - это ингибирование деления клеток с увеличением процента слияния. CIP и CIL - это два разных процесса, которые иногда ошибочно взаимосвязаны. [9]

Примеры изучаемых систем [ править ]

Коллективная миграция клеток изучается на многих модельных видах.

Пограничные клетки у мух ( Drosophila melanogaster ): пограничные клетки мигрируют во время дифференцировки яйцеклеток, чтобы быть готовыми к оплодотворению. [10]

Боковая линия в данио : коллективная миграция клеток от головы до хвоста имеет важное значение для развития сенсорной системы рыбы. Датчики боковой линии измеряют поток по поверхности тела рыбы. [11]

Заживление ран : коллективная миграция клеток является важной частью этого процесса заживления, область раны закрывается мигрирующими клетками. [12] [13] Заживление ран обычно изучается in vitro с использованием клеточных линий, таких как клетки почек собак Мадина-Дарби .

Нервного гребня клетки мышей , [14] Leghorn цыплят , [15] земноводных ( Xenopus Laevis ), [16] и рыб [17] ( данио ): коллективная миграция клеток нервного гребня происходит во время эмбрионального развития позвоночных. Они мигрируют на большие расстояния от головы ( нервной трубки ), давая начало различным тканям. [18]

Распространение рака ( метастазирование ): обычное осложнение рака связано с образованием новых опухолей (вторичных опухолей) в результате миграции раковых клеток из первичной опухоли. Подобно коллективной миграции клеток в процессе развития и заживления ран, раковые клетки также претерпевают переход от эпителия к мезенхиме (EMT), что снижает межклеточные адгезии и способствует распространению рака. [19]

Математические модели [ править ]

Существует несколько математических моделей, описывающих коллективное движение клеток. Обычно решается уравнение движения Ньютона для системы ячеек. [20] На каждую клетку действует несколько сил , например трение (между окружающей средой и другими клетками), хемотаксис и самодвижение . Последнее подразумевает, что клетки представляют собой активное вещество, далекое от теплового равновесия и способное генерировать силу за счет сократительного движения миозин-актин. Обзор физического описания коллективной миграции клеток [21] объясняет, что можно использовать следующие типы моделей:

  • Решетчатые модели
  • Модели, подобные диссипативной динамике частиц, которые решают уравнение движения Ньютона с диссипативными и случайными силами.
  • Модели, в которых клетки изображают области Вороного и используется эффективный потенциал (на основе графиков Вороного) для ткани.
  • Модели континуума, например, с использованием фазового поля

Эти математические модели дают некоторое представление о сложных явлениях, таких как рак, заживление ран [22] и эктоплазма .

См. Также [ править ]

  • Коллективное движение бактерий
  • Boids
  • Коллективное поведение животных
  • Коллективное движение
  • Эмбриогенез

Ссылки [ править ]

  1. ^ Фридл, P; Hegerfeldt, Y; Туш, М. (2004). «Коллективная миграция клеток при морфогенезе и раке» . Международный журнал биологии развития . 48 (5–6): 441–9. DOI : 10.1387 / ijdb.041821pf . PMID  15349818 .
  2. ^ Weijer, CJ (15 сентября 2009). «Коллективная миграция клеток в развитии» . Журнал клеточной науки . 122 (Pt 18): 3215–23. DOI : 10,1242 / jcs.036517 . PMID 19726631 . 
  3. Перейти ↑ Friedl, P (февраль 2004 г.). «Преспецификация и пластичность: смещающие механизмы миграции клеток». Текущее мнение в клеточной биологии . 16 (1): 14–23. DOI : 10.1016 / j.ceb.2003.11.001 . PMID 15037300 . 
  4. ^ Сабо, Андраш; Мелхионда, Мануэла; Настаси, Джанкарло; Woods, Mae L .; Кампо, Сальваторе; Перрис, Роберто; Мэр Роберто (6 июня 2016 г.). «Ограничение in vivo способствует коллективной миграции клеток нервного гребня» . Журнал клеточной биологии . 213 (5): 543–555. DOI : 10,1083 / jcb.201602083 . PMC 4896058 . PMID 27241911 .  
  5. ^ Мэр, R; Этьен-Манневиль, S (февраль 2016 г.). «Фронт и тыл коллективной миграции клеток» (PDF) . Обзоры природы. Молекулярная клеточная биология . 17 (2): 97–109. DOI : 10.1038 / nrm.2015.14 . PMID 26726037 .  
  6. ^ Сабо, А; Мэр, Р. (октябрь 2016 г.). «Моделирование коллективной миграции клеток нервного гребня» . Текущее мнение в клеточной биологии . 42 : 22–28. DOI : 10.1016 / j.ceb.2016.03.023 . PMC 5017515 . PMID 27085004 .  
  7. ^ Вудс, ML; Кармона-Фонтен, К; Барнс, КП; Кузин, И.Д .; Мэр, R; Пейдж, КМ (2014). «Направленная коллективная миграция клеток возникает как свойство клеточных взаимодействий» . PLoS ONE . 9 (9): e104969. Bibcode : 2014PLoSO ... 9j4969W . DOI : 10.1371 / journal.pone.0104969 . PMC 4152153 . PMID 25181349 .  
  8. ^ Кармона-Фонтейн, C; Theveneau, E; Цеку, А; Тада, М; Вудс, М; Пейдж, км; Парсонс, М; Lambris, JD; Мэр, Р (13 декабря 2011 г.). «Фрагмент комплемента C3a контролирует взаимное притяжение клеток во время коллективной миграции клеток» . Клетка развития . 21 (6): 1026–37. DOI : 10.1016 / j.devcel.2011.10.012 . PMC 3272547 . PMID 22118769 .  
  9. ^ Стокер, MG; Рубин, H (8 июля 1967). «Зависимое от плотности ингибирование роста клеток в культуре». Природа . 215 (5097): 171–2. Bibcode : 1967Natur.215..171S . DOI : 10.1038 / 215171a0 . PMID 6049107 . 
  10. ^ Бьянко, А; Поуккула, М; Клифф, А; Матье, Дж; Luque, CM; Фульга, Т.А.; Рёрт П. (19 июля 2007 г.). «Два различных режима передачи сигналов во время коллективной миграции пограничных ячеек». Природа . 448 (7151): 362–5. Bibcode : 2007Natur.448..362B . DOI : 10,1038 / природа05965 . PMID 17637670 . 
  11. ^ Далле Ногаре, D; Somers, K; Рао, S; Мацуда, М; Райхман-Фрид, М; Раз, E; Читнис, А.Б. (август 2014 г.). «Ведущие и замыкающие клетки взаимодействуют в коллективной миграции зачатка задней боковой линии рыбок данио» . Развитие . 141 (16): 3188–96. DOI : 10.1242 / dev.106690 . PMC 4197546 . PMID 25063456 .  
  12. ^ Град A (февраль 2017). «Анализ коллективной миграции клеток с помощью анализа заживления ран» . J Invest Dermatol . 137 (2): e11 – e16. DOI : 10.1016 / j.jid.2016.11.020 . PMID 28110712 . 
  13. ^ Трепат, Ксавьер; Вассерман, Майкл Р .; Анджелини, Томас Э .; Просо, Эмиль; Weitz, David A .; Батлер, Джеймс П .; Фредберг, Джеффри Дж. (3 мая 2009 г.). «Физические силы при коллективной миграции клеток» . Физика природы . 5 (6): 426–430. Bibcode : 2009NatPh ... 5..426T . DOI : 10.1038 / nphys1269 .
  14. Перейти ↑ Trainor, PA (декабрь 2005 г.). «Спецификация образования и миграции клеток нервного гребня у эмбрионов мышей». Семинары по клеточной биологии и биологии развития . 16 (6): 683–93. DOI : 10.1016 / j.semcdb.2005.06.007 . PMID 16043371 . 
  15. ^ Джонстон, MC (октябрь 1966 г.). «Радиоавтографическое исследование миграции и судьбы клеток краниального нервного гребня у куриного эмбриона». Анатомическая запись . 156 (2): 143–55. DOI : 10.1002 / ar.1091560204 . PMID 5969670 . 
  16. ^ Садагиани, B; Thiébaud, Швейцария (ноябрь 1987 г.). «Развитие нервного гребня у эмбриона Xenopus laevis , изученное с помощью межвидовой трансплантации и сканирующей электронной микроскопии». Биология развития . 124 (1): 91–110. DOI : 10.1016 / 0012-1606 (87) 90463-5 . PMID 3666314 . 
  17. ^ Смит, М .; Hickman, A .; Amanze, D .; Lumsden, A .; Торогуд, П. (23 мая 1994 г.). "Туловище нервного гребня мезенхимы хвостового плавника у рыбок данио Brachydanio rerio ". Труды Королевского общества B: биологические науки . 256 (1346): 137–145. Bibcode : 1994RSPSB.256..137S . DOI : 10,1098 / rspb.1994.0061 . JSTOR 50346 . 
  18. ^ Le Douarin, Николь, и Хая Kalcheim. Нервный гребень. № 36. Издательство Кембриджского университета, 1999.
  19. ^ Тиери, JP; Acloque, H; Huang, RY; Нието, Массачусетс (25 ноября 2009 г.). «Эпителиально-мезенхимальные переходы в развитии и болезни». Cell . 139 (5): 871–90. DOI : 10.1016 / j.cell.2009.11.007 . PMID 19945376 . 
  20. ↑ Акияма, Масакадзу; Сушида, Такамичи; Исида, Сумире; Хага, Хисаши (2017). «Математическая модель коллективных миграций клеток на основе полярности клеток» . Развитие, рост и дифференциация . 59 (5): 471–490. DOI : 10.1111 / dgd.12381 . ISSN 1440-169X . 
  21. ^ Предупреждение, Рикар; Трепат, Ксавьер (2020-03-10). «Физические модели коллективной миграции клеток» . Ежегодный обзор физики конденсированного состояния . 11 (1): 77–101. arXiv : 1905.07675 . DOI : 10,1146 / annurev-conmatphys-031218-013516 . ISSN 1947-5454 . 
  22. ^ Arciero, Julia C .; Ми, Ци; Бранка, Мария Ф .; Hackam, Дэвид Дж .; Суигон, Дэвид (02.02.2011). "Модель континуума коллективной миграции клеток при заживлении ран и расширении колоний" . Биофизический журнал . 100 (3): 535–543. DOI : 10.1016 / j.bpj.2010.11.083 . ISSN 0006-3495 . PMC 3030184 . PMID 21281567 .   

Внешние ссылки [ править ]

  • Вычислительные методы количественной оценки и моделирования коллективной миграции клеток
  • Нацеленность на движущиеся цели при вычислительной миграции клеток