Механическая память: как клетки используют хитрую стратегию для движения в узких пространствах
При заживлении ран, иммунном ответе и метастазировании рака клетки мигрируют по организму, часто протискиваясь через узкие, ограниченные пространства. Профессор Дэвид Брукнер из Базельского университета (Швейцария) вместе с экспериментальными коллегами обнаружил, что клетки обладают своего рода памятью: они могут «помнить», как ранее преодолевали такие сужения. Это позволяет им двигаться быстрее и эффективнее в сложных тканях.
Большинство клеток, например, клетки кожи, остаются на месте на протяжении всей жизни. Но есть исключения: эмбриональные клетки, иммунные клетки и клетки, участвующие в заживлении ран, перемещаются по телу. Этой же способностью обладают раковые клетки, распространяясь из первичной опухоли для образования метастазов. Чтобы двигаться, клеткам приходится протискиваться через узкие щели в ткани — часто меньшие, чем они сами. Это требует изменения формы, что отнимает время и энергию.
Исследователи из Базельского университета и Университета Монса (Бельгия) обнаружили, что мигрирующие клетки сохраняют механическую память. Они могут «помнить» форму, которую приняли при прохождении сужения. Эта память позволяет им сохранять эту форму, вместо того чтобы перестраиваться каждый раз при выходе в свободное пространство, что делает их движение в сложной среде быстрее и эффективнее.
Исследование, опубликованное в Nature Physics, проливает свет на биофизические механизмы этого поведения. Брукнер, как теоретический физик, разработал математическую модель, описывающую динамику миграции клеток.
Изменение формы
Ученые изучали поведение отдельных клеток на специально разработанных микрочипах с Г-образными паттернами: две маленькие квадратные лунки, соединенные узким каналом или «мостиком», имитирующим тесные тканевые пространства.
«Клетки используют выступы — микроскопические отростки, похожие на руки, — чтобы двигаться в этих структурах, — объясняет Брукнер. — Раковые клетки особенно подвижны, постоянно мигрируя туда и обратно через мостик». Во время движения в ограниченном пространстве клетки переключаются между двумя формами: вытянутой и компактной.
Когда клетка входит в узкий мостик, два выступа тянут в противоположных направлениях. Сначала клетка исследует варианты и вытягивается. Чем дольше она остается в ограничении, тем выше вероятность переключиться в компактную форму.
«В этом состоянии у клетки есть только один ведущий выступ, который тащит тело, как мешок, позади, — говорит первый автор исследования Йохали Калукула из Университета Монса. — Клетка использует свою энергию для движения в одном направлении».
Компактная форма сохраняется и после выхода из ограничения
Удивительно, но большинство клеток, которые долго находились в ограниченном пространстве, сохраняют свою компактную форму даже после выхода из узкого мостика. Это делает их лучше подготовленными к следующему сужению.
«По-видимому, клетки помнят, что уже проходили через узкие пространства, и предвидят новые впереди, поэтому остаются компактными», — объясняет Калукула.
«Однако в некоторых случаях клетки возвращаются к вытянутой форме. Вероятно, оставаться компактными и двигаться в одном направлении не всегда выгодно в реальной тканевой среде, так как это увеличивает риск наткнуться на тупик и застрять».
Эффекты памяти
Исследователи выяснили, что эта механическая память закодирована в организации цитоскелета, в частности актинового кортекса, который определяет форму клетки и ее структурную целостность. Когда клетки долго находятся в ограниченном пространстве, они перестраивают свой актиновый кортекс. Эта структура становится толще и прочнее, что позволяет клетке сохранять компактную форму даже в свободной среде.
«Но перестройка актинового кортекса требует времени — именно это создает эффект памяти», — говорит Брукнер.
Результаты исследования показывают, что механическая память помогает мигрирующим клеткам более эффективно перемещаться в сложных средах. Это может быть полезно в таких процессах, как заживление ран и иммунная защита. Однако у этого эффекта памяти может быть и обратная сторона: он может помогать опухолевым клеткам быстрее распространяться по организму.