Клетки человека демонстрируют поисковое поведение, как у бактерий

Исследователи из Университета Вандербильта обнаружили, что при движении в организме клетки следуют сложной модели, аналогичной той, которую используют амёбы и бактерии при поиске пищи.

Это открытие имеет практическую ценность для разработки лекарств. Включение этого базового поведения в компьютерные симуляции биологических процессов, связанных с миграцией клеток (развитие эмбриона, ремоделирование кости, заживление ран, инфекции, рост опухоли), должно повысить точность прогнозов эффективности новых методов лечения.

"Насколько мы можем судить, это первый случай, когда подобное поведение описано у клеток, являющихся частью более крупного организма", — говорит Питер Т. Каммингс, руководивший исследованием, опубликованным в журнале PLoS ONE.

Открытие стало неожиданным результатом проверки гипотезы о корреляции подвижности раковых клеток с их агрессивностью. "Наши результаты опровергают эту гипотезу — корреляция между подвижностью и агрессивностью у трёх разных типов раковых клеток была очень слабой", — отмечает Каммингс. Однако в процессе учёные заметили неожиданно сложный характер движений клеток.

Их интерес подогрела статья в журнале Nature (февраль 2008 г.) "Scaling laws of marine predator search behaviour". В ней описывалось, что морские хищники используют стратегию фуражирования, близкую к паттерну случайных блужданий Леви — оптимальному методу поиска в сложных ландшафтах. Авторы предположили, что такое поведение распространено от микробов до людей.

Исследователи приняли допущение, что мигрирующие клетки млекопитающих сталкиваются с задачами, аналогичными поиску пищи одноклеточными организмами (например, эффективный поиск случайно распределённых питательных веществ).

Алка Потдар культивировала клетки трёх линий человеческого маммарного эпителия на пластиковых планшетах и отслеживала их движение в течение двух часов в среде без направленных химических сигналов. Эти клетки двигались относительно медленно — около 1 микрона в минуту.

Анализ показал, что все клетки следовали одной модели — не случайному блужданию Леви, а тесно связанному с ним бимодальному коррелированному случайному блужданию (BCRW). Это двухфазное движение:

1. Фаза бега — клетка движется преимущественно в одном направлении.
2. Фаза переориентации — клетка остаётся на месте и внутренне реорганизуется для движения в новом направлении.

В последующих исследованиях учёные обнаружили, что другие типы клеток (социальная амёба, нейтрофилы, фибросаркома) также следуют этой модели в условиях случайной миграции. При добавлении направленного химического сигнала клетки сохраняют базовый паттерн, но изменяют длину "пробежек" и сужают диапазон направлений, что обеспечивает чистое движение в заданном направлении.

"Впервые у нас появилась общая основа для анализа того, как движутся клетки", — заключает Потдар.