Механотаксис
Механотаксис относится к направленному движению подвижности клеток с помощью механических сигналов (например, напряжения сдвига жидкости , градиентов жесткости субстрата и т. д.). [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Например, было показано, что в ответ на напряжение сдвига в жидкости клетки мигрируют в направлении потока жидкости. [ 1 ] [ 4 ] Механотаксис имеет решающее значение во многих нормальных биологических процессах у животных, таких как гаструляция, [ 5 ] воспаление, [ 6 ] и восстановление в ответ на рану, [ 7 ] а также в механизмах таких заболеваний, как метастазы опухолей. [ 7 ]
Подмножество механотаксиса, называемое дуротаксисом , относится конкретно к миграции клеток, управляемой градиентами жесткости субстрата (т.е. жесткости). [ 2 ] [ 8 ] О наблюдении того, что определенные типы клеток, высеянные на градиенте жесткости подложки, мигрируют вверх по градиенту (т.е. в направлении увеличения жесткости подложки), впервые сообщили Lo et al. [ 9 ] Основной метод создания градиентов жесткости клеток (например, в биоматериалах ) состоит в изменении степени сшивки в полимерах для регулирования жесткости подложки. [ 10 ] [ 11 ] Альтернативные градиенты жесткости подложки включают градиенты массива микростоек, в которых жесткость отдельных микростоек увеличивается в одном заданном направлении. [ 8 ]
История/предыстория
[ редактировать ]Существует несколько способов влияния на характер миграции клеток, включая механотаксис, хемотаксис , то есть движение клеток по молекулярному градиенту, и гаптотаксис , то есть движение клеток по градиенту адгезии. Первой подгруппой механотаксиса, наблюдавшейся экспериментально, был дуротаксис, подробно описывающий, как контакт с субстратом может вызвать изменение характера миграции клеток. [ 12 ] но совсем недавно исследователи также изучили, как контакт с соседней клеткой может вызвать изменения в характере миграции клетки. Исследователи начали исследовать механотаксис эндотелиальных клеток в кровеносных сосудах и заживление ран в 1990-х и начале 2000-х годов. [ 13 ] В начале 2000-х и 2010-х годов в сообществе биомедицинских инженеров также наблюдался больший интерес к механотаксису как к потенциальному методу манипулирования клетками. [ 14 ]
Факторы/пути
[ редактировать ]Клетки могут обнаруживать механические раздражители и реагировать на них различными способами. Один из методов заключается во взаимодействии E-кадгерина , представленного на клеточной мембране. Когда эти рецепторы взаимодействуют, притягиваются или толкаются, может создаваться напряжение, приводящее к изменению конформации альфа-катенина, связанного с B-катенином во внутриклеточной части E-кадгерина. Это вызывает рекрутирование винкулина и приводит к изменению конформации актина и ориентации клетки. Другим сигнальным путем, важным для ответа клетки на механические стимулы, является путь планарной клеточной полярности Wnt (PCP). Этот неканонический путь включает активацию семейств GTPases Rho и Rac , которые необходимы для реорганизации цитоскелета при подготовке к миграции клеток. [ 15 ] [ 16 ] Когда клетки сталкиваются, локализованная передача сигналов пути PCP приводит к изменению полярности клетки, перенаправляя клетку в другом направлении. [ 17 ]
Различные клеточные рецепторы играют важную роль в клеточной механотрансдукции, участвующей в контакте с субстратом, таким как внеклеточный матрикс (ECM). Например, многие типы клеток экспрессируют на своих мембранах интегрин a5b1 , который может связываться с основным компонентом ЕСМ, называемым фибронектином. Это приводит к накоплению интегринов в области контакта с ЕСМ, прикрепляя ЕСМ к цитоскелету клетки и позволяя происходить миграции вдоль ЕСМ за счет натяжения в точках прикрепления (так называемые фокальные спайки, FA). [ 18 ] и последующий демонтаж ЖК по мере продвижения клетки. [ 13 ] По этой причине эластичность ЕСМ или другого связующего субстрата очень важна. Натяжение, создаваемое притяжением клетки к жесткому субстрату, должно достичь определенного порога, чтобы произошел механотаксис. [ 14 ]
Механотаксис в разработке
[ редактировать ]Миграция клеток важна на раннем этапе эмбрионального развития, поскольку определяющей характеристикой этой фазы является сворачивание и реорганизация эмбриона, которые происходят во время и после гаструляции. Без миграции клеток сложные структуры, включающие несколько типов клеток, из которых состоят сложные организмы, такие как ткани, органы, конечности и т. д., не могли бы развиваться правильно. Существует множество факторов, которые влияют на движение клеток во время развития, но факторы, влияющие на механотаксис в развитии, часто включают взаимодействия между клетками или между клеткой и субстратом, таким как желток или мембрана.
Контактное торможение локомоции участвует в миграции многих типов клеток, включая клетки нервного гребня (NC) у позвоночных, которые дают начало клеткам периферической нервной системы (ПНС), лицевого хряща и других неневральных клеток по всему телу. Клетки NC очень подвижны, с богатыми актином выступами на переднем крае каждой клетки в направлении движения. Когда клетка NC сталкивается с другой клеткой NC, в точке контакта клеток происходит активация сигнального пути планарной клеточной полярности Wnt (PCP), вызывая локализованную активацию нижестоящего эффектора RhoA. Эта активация, вероятно, вызвана взаимодействием между кадгеринами на поверхности клеток. [ 19 ] и приводит к ретракции выступов клеток и изменению полярности клетки, в результате чего клетка NC меняет направление. [ 17 ] Интересно, что это контактное ингибирование передвижения среди клеток NC сочетается с химическим сцеплением между клетками NC, что позволяет клеткам продолжать движение для эффективной миграции, а также оставаться вместе. [ 20 ] соответственно, что приводит к коллективной миграции. Клетки чаще всего подвергаются влиянию окружающих клеток в сторону коллективной миграции в процессе развития. [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] такие как клетки подушечки, которые первыми интернализуются в начале гаструляции у рыбок данио. [ 24 ] В отличие от клеток нервного гребня, эти клетки не проявляют контактного ингибирования локомоции или сокращения шерсти, а вместо этого мигрируют коллективно благодаря взаимодействиям E-кадгерина между ведущими клетками и последующими клетками. Последующие клетки подушечки поляризуются и по неизвестным причинам мигрируют к анимальному полюсу эмбриона, достигая своих богатых актином выступов по направлению к ведущим клеткам и индуцируя взаимодействия между белками E-кадгерина, расположенными на мембранах последующих клеточных выступов и мембранах ведущих клеток. Взаимодействия между Е-кадгеринами создают напряжение, которое приводит к тому, что внутренний а-катенин (соединяющий внеклеточный Е-кадгерин с внутриклеточным актином) растягивается в открытую конфигурацию, что приводит к рекрутированию винкулина и, в конечном итоге, ориентации актина в том же направлении, что и миграция как следующие клетки. Без этих взаимодействий E-кадгерина ведущие клетки будут демонстрировать ненаправленную миграцию.
Механотаксис при заживлении ран
[ редактировать ]При заживлении ран напряжение сдвига жидкости играет большую роль в механотаксисе эндотелиальных клеток к месту раны. Внутренняя оболочка кровеносных сосудов состоит из этих эндотелиальных клеток, а это означает, что эти клетки постоянно испытывают напряжение сдвига жидкости из-за потока крови по сосудам. Этот механический стресс на апикальной стороне эндотелиальных клеток приводит к передаче сигналов интегрина, которая включает в себя рекрутирование киназы фокальной адгезии (FAK), Shc и Crk . [ 25 ] и приведет к изменениям в адгезии между клетками и клетками-ECM. Эти изменения включают пластинчатые выпячивания и образование фокальной адгезии (FA) в передней части клетки, а также демонтаж FA в задней части клетки и заставляют эндотелиальные клетки двигаться в направлении потока. [ 13 ] Было обнаружено, что постоянный ламинарный поток улучшает миграцию клеток в ранах и увеличивает скорость закрытия ран. [ 13 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Ли, С. (19 марта 2002 г.). «Роль динамики киназы фокальной адгезии в механотаксисе эндотелиальных клеток» . Труды Национальной академии наук . 99 (6): 3546–3551. Бибкод : 2002PNAS...99.3546L . дои : 10.1073/pnas.052018099 . ПМК 122560 . ПМИД 11891289 .
- ^ Перейти обратно: а б ЛО, С (1 июля 2000 г.). «Движение клеток регулируется жесткостью субстрата» . Биофизический журнал . 79 (1): 144–152. Бибкод : 2000BpJ....79..144L . дои : 10.1016/S0006-3495(00)76279-5 . ПМЦ 1300921 . ПМИД 10866943 .
- ^ Мак, М.; Спилл, Ф.; Камм, РД; Заман, МЗ (2015). «Миграция одноклеточной среды в сложной микросреде: механика и динамика сигналов» . Журнал биомеханической инженерии . 138 (2): 0210041–0210048. дои : 10.1115/1.4032188 . ПМЦ 4844084 . ПМИД 26639083 .
- ^ Сюй, Стив; Такар, Рахул; Липманн, Дориан; Ли, Сун (11 ноября 2005 г.). «Влияние напряжения сдвига на гаптотаксис эндотелиальных клеток на поверхностях с микроузором». Связь с биохимическими и биофизическими исследованиями . 337 (1): 401–409. дои : 10.1016/j.bbrc.2005.08.272 . ПМИД 16188239 .
- ^ Джулиано, РЛ; Хаскилл, С. (1 февраля 1993 г.). «Передача сигнала из внеклеточного матрикса» . Журнал клеточной биологии . 120 (3): 577–585. дои : 10.1083/jcb.120.3.577 . ISSN 0021-9525 . ПМК 2119550 . ПМИД 8381117 .
- ^ Хьюз, Морган (2017). «Механические силы в иммунной системе» . Обзоры природы Иммунология . 17 (11): 679–690. дои : 10.1038/nri.2017.74 . ISSN 1474-1733 . ПМК 6312705 . ПМИД 28757604 .
- ^ Перейти обратно: а б Цзян, Цзяньсинь; Ли, Ли; Он, Йонг; Чжао, Мин (2013). «Коллективная миграция клеток: последствия для заживления ран и инвазии рака» . Ожоги и травмы . 1 (1): 21–26. дои : 10.4103/2321-3868.113331 . ISSN 2321-3868 . ПМЦ 4994501 . ПМИД 27574618 .
- ^ Перейти обратно: а б Сокол, Райан Д.; Хига, Адриенн Т.; Джанайро, Рэндалл Р.Р.; Ли, Сун; Линь, Ливэй (1 января 2011 г.). «Однонаправленные механические клеточные стимулы через градиенты массива микроштырей». Мягкая материя 7 (10): 4606. Бибкод : 2011SMat....7.4606S . дои : 10.1039/C1SM05163F .
- ^ Ло, К. (1 июля 2000 г.). «Движение клеток регулируется жесткостью субстрата» . Биофизический журнал . 79 (1): 144–152. Бибкод : 2000BpJ....79..144L . дои : 10.1016/S0006-3495(00)76279-5 . ПМЦ 1300921 . ПМИД 10866943 .
- ^ Грей, Даррен С.; Тьен, Джо; Чен, Кристофер С. (1 сентября 2003 г.). «Репозиционирование клеток путем механотаксиса на поверхностях с микроструктурным модулем Юнга». Журнал исследований биомедицинских материалов . 66А (3): 605–614. CiteSeerX 10.1.1.646.1614 . дои : 10.1002/jbm.a.10585 . ПМИД 12918044 .
- ^ Вонг, Джойс Ю .; Веласко, Алан; Раджагопалан, Падмавати; Фам, Куин (1 марта 2003 г.). «Направленное движение сосудистых гладкомышечных клеток на градиентных гидрогелях». Ленгмюр . 19 (5): 1908–1913. дои : 10.1021/la026403p .
- ^ Ло, Чун-Мин; Ван, Хун-Бэй; Дембо, Мика; Ван, Ю-ли (2000). «Движение клеток регулируется жесткостью субстрата» . Биофизический журнал . 79 (1): 144–152. Бибкод : 2000BpJ....79..144L . дои : 10.1016/S0006-3495(00)76279-5 . ПМЦ 1300921 . ПМИД 10866943 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Ли, Сун; Хуанг, Нган Ф.; Сюй, Стивен (15 декабря 2005 г.). «Механотрансдукция при миграции эндотелиальных клеток» . Журнал клеточной биохимии . 96 (6): 1110–1126. дои : 10.1002/jcb.20614 . ISSN 0730-2312 . ПМИД 16167340 . S2CID 21176533 .
- ^ Перейти обратно: а б Кавано, Такахито; Кидоаки, Сатору (1 апреля 2011 г.). «Граничные условия эластичности, необходимые для механотаксиса клеток в гелях с микроупругим рисунком» . Биоматериалы . 32 (11): 2725–2733. doi : 10.1016/j.bimaterials.2011.01.009 . ISSN 0142-9612 . ПМИД 21276611 .
- ^ Корда, Г.; Сала, А. (2017). «Неканоническая передача сигналов WNT/PCP при раке: Fzd6 занимает центральное место» . Онкогенез . 6 (7): е364. дои : 10.1038/oncsis.2017.69 . ISSN 2157-9024 . ПМЦ 5541719 . ПМИД 28737757 .
- ^ Меззакаппа, Кортни; Комия, Юко; Хабас, Раймонд (2012), Турксен, Курсад (ред.), «Активация и функция малых GTPases Rho, Rac и Cdc42 во время гаструляции», Planar Cell Polarity , Methods in Molecular Biology, vol. 839, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Springer New York, стр. 119–131, номер домена : 10.1007/978-1-61779-510-7_10 , ISBN. 978-1-61779-509-1 , PMC 4414490 , PMID 22218897
- ^ Перейти обратно: а б Кармона-Фонтен, Карлос; Мэтьюз, Хелен К.; Курияма, Сэй; Морено, Маурисио; Данн, Грэм А.; Парсонс, Мэдди; Стерн, Клаудио Д.; Мэр Роберто (2008 г.). «Контактное торможение локомоции in vivo контролирует направленную миграцию нервного гребня» . Природа . 456 (7224): 957–961. Бибкод : 2008Natur.456..957C . дои : 10.1038/nature07441 . ISSN 0028-0836 . ПМЦ 2635562 . ПМИД 19078960 .
- ^ Шоке, Даниэль; Фельзенфельд, Дэн П.; Шитц, Майкл П. (10 января 1997 г.). «Жесткость внеклеточного матрикса вызывает усиление связей интегрин-цитоскелет» . Клетка . 88 (1): 39–48. дои : 10.1016/S0092-8674(00)81856-5 . ISSN 0092-8674 . ПМИД 9019403 . S2CID 14791012 .
- ^ Ройкрофт, Алиса; Мэр Роберто (2016 г.). «Молекулярные основы контактного торможения локомоции» . Клеточные и молекулярные науки о жизни . 73 (6): 1119–1130. дои : 10.1007/s00018-015-2090-0 . ISSN 1420-682X . ПМЦ 4761371 . ПМИД 26585026 .
- ^ Кармона-Фонтен, Карлос; Тевено, Эрик; Цеку, Апостолия; Тада, Масадзуми; Вудс, Мэй; Пейдж, Карен М.; Парсонс, Мэдди; Ламбрис, Джон Д.; Мэр Роберто (13 декабря 2011 г.). «Фрагмент комплемента C3a контролирует взаимное притяжение клеток во время коллективной миграции клеток» . Развивающая клетка . 21 (6): 1026–1037. дои : 10.1016/j.devcel.2011.10.012 . ISSN 1534-5807 . ПМЦ 3272547 . ПМИД 22118769 .
- ^ Норден, Карен; Лекоди, Вирджиния (01 августа 2019 г.). «Коллективная миграция клеток: общие темы и новые парадигмы» . Текущее мнение в области генетики и развития . Механизмы развития, закономерности и эволюция. 57 : 54–60. дои : 10.1016/j.gde.2019.06.013 . hdl : 21.11116/0000-0006-7F20-8 . ISSN 0959-437X . ПМИД 31430686 . S2CID 201116217 .
- ^ Скарпа, Елена; Мэр Роберто (18 января 2016 г.). «Коллективная миграция клеток в развитии» . Журнал клеточной биологии . 212 (2): 143–155. дои : 10.1083/jcb.201508047 . ISSN 0021-9525 . ПМЦ 4738384 . ПМИД 26783298 .
- ^ Шумахер, Линус (2019), Ла Порта, Катерина А.М.; Заппери, Стефано (ред.), «Коллективная миграция клеток в процессе развития» , Миграция клеток: причины и функции , Достижения экспериментальной медицины и биологии, том. 1146, Чам: Springer International Publishing, стр. 105–116, doi : 10.1007/978-3-030-17593-1_7 , ISBN 978-3-030-17592-4 , PMID 31612456 , S2CID 204702312 , получено 13 декабря 2022 г.
- ^ Бутильон, Артур; Эскот, Софи; Элуэн, Амели; Ян, Диего; Гонсалес-Тирадо, Себастьян; Старрус, Йорн; Бруш, Лутц; Дэвид, Николас Б. (20 июня 2022 г.). «Руководство последователей обеспечивает координацию миграции клеток на большие расстояния посредством механоцепции альфа-катенина» . Развивающая клетка . 57 (12): 1529–1544.e5. дои : 10.1016/j.devcel.2022.05.001 . ISSN 1534-5807 . ПМИД 35613615 .
- ^ Кричли, Дэвид Р. (2000). «Фокальные спайки – цитоскелетная связь» . Современное мнение в области клеточной биологии . 12 (1): 133–139. дои : 10.1016/S0955-0674(99)00067-8 . ПМИД 10679361 .