Как клетки собираются и движутся согласованно

Многие типы клеток в нашем организме постоянно находятся в движении. Физики из LMU разработали математическую модель, которая впервые описывает, как миграция одиночных клеток может объединяться в скоординированное движение целых когорт клеток.

Многие жизненно важные биологические процессы, такие как рост, заживление ран и иммунные ответы на патогены, требуют активного движения клеток. Воспаление и метастазирование также связаны с миграцией специфических типов клеток через ткани к отдалённым участкам. Детальное понимание механизмов, лежащих в основе клеточной миграции — одиночных клеток, небольших групп и скоординированного перемещения клеточных коллективов на уровне ткани — может пролить свет на одну из фундаментальных свойств клеток. Команда исследователей под руководством теоретического физика LMU Эрвина Фрея разработала новую модель, способную описывать движение клеток на плоских поверхностях как на микроскопическом, так и на макроскопическом уровнях, что даёт новое понимание коллективной динамики клеток. Результаты опубликованы в журнале eLife.

Существующие модели обычно описывают либо динамику одиночных клеток, либо движение клеточных пластов. Однако интеграция обоих подходов в единую модель представляет значительную сложность из-за разницы в масштабах и необходимом уровне абстракции. Теоретическая модель Фрея и его студентов призвана закрыть этот разрыв. Она представляет взаимодействие клеток с подложкой в виде гексагональной решётки контактных сайтов, учитывая также адгезивные контакты между клетками.

«В отличие от типичных макроскопических подходов к моделированию движения на тканевом уровне, наша модель явно включает релевантные свойства отдельных клеток, такие как поляризация клетки, структура цитоскелета и способность активно перестраивать организацию цитоскелета в ответ на механические сигналы», — объясняет Андрий Гойчук, соавтор статьи. — «При этом, в отличие от стратегий, зависящих от микроскопического анализа изменений формы отдельных клеток, наш подход основан на правилах и достаточно эффективен для проведения симуляций на тканевом уровне».

Модель позволяет исследовать миграционное поведение одиночных клеток, переход к коллективному движению и скоординированное перемещение эпителиальных пластов из нескольких тысяч клеток, участвующих в заживлении ран. Анализ и симуляции выявили связи между конкретными клеточными параметрами и характерными паттернами движения, что точно отражает экспериментальные данные.

Ключевые выводы:

• Силы, создаваемые цитоскелетом в местах контакта клетки с субстратом, и сократимость цитоскелетной сети на внутренней стороне клеточной мембраны играют жизненно важную роль в двигательном поведении.
• Существует определённая взаимосвязь между расширением клеток из-за механического давления внутри монослоя и зависящим от плотности ростом клеток, что приводит к специфическим паттернам многоклеточной миграции.

«Наши результаты представляют собой значительный шаг вперёд в понимании коллективной миграции на плоских субстратах», — говорит Фрей. — «Более того, наша новая модель предоставляет гибкий инструмент для изучения миграционного поведения клеток в широком спектре контекстов».