Цитофизика: как клетки мигрируют через щели меньше их ядра

Эукариотические клетки (содержащие ядро) обладают поразительной способностью радикально менять свою форму и цитоскелет, что позволяет им мигрировать через крошечные поры и сужения, даже меньшие, чем диаметр их ядра. Однако то, как именно ядро клетки меняет форму в ответ на окружающие структуры и какие физические механизмы лежат в основе этой деформации, оставалось неясным.

Исследовательская группа профессора LMU Иоахима Рэдлера изучает самоорганизацию и динамику живых клеток. В исследовании, опубликованном в Science Advances, команда проанализировала характеристики клеток, проходящих через узкие пространства.

«Клетки — это активные системы с упругими свойствами», — объясняет Рэдлер, стремясь понять, что определяет их индивидуальную форму, скорость и решения об ориентации. Для этого он и его команда используют синтетические микроструктуры как платформы для исследования движения клеток и локальных сил.

«В этой контролируемой среде мы используем сканирующую покадровую микроскопию, чтобы наблюдать за множеством отдельных клеток, движущихся через материал», — говорит Рэдлер. Движение клеток анализируется с помощью моделей, основанных на данных, из группы профессора Чеза Бродерса (VU Amsterdam).

Таким образом, исследователи изучили механику и динамику ядер раковых клеток, мигрирующих через деформируемые 3D-гидрогелевые каналы. «Используя конфокальную визуализацию и смещение гидрогелевых шариков, мы смогли отследить деформацию ядра и соответствующие силы во время миграции через заданные сужения», — говорит докторант и ведущий автор исследования Стефан Штёберл.

Наблюдения показали, что ядро обратимо деформируется с уменьшением объема во время прохождения через узкое место.

Кроме того, исследователи обнаружили, что по мере уменьшения ширины канала форма ядра меняется в две фазы во время миграции. Они обнаружили двухфазную зависимость скорости миграции и частоты переходов от ширины канала, выявив максимальные скорости переходов при ширинах, сравнимых с диаметром ядра.

«Предлагаемая нами физическая модель объясняет наблюдаемые формы ядра и динамику переходов в терминах генерации силы цитоскелетом, которая адаптируется от механизма, основанного на «тянущих» силах, к механизму, основанному на «толкающих» силах, с увеличением степени сжатия ядра», — говорит Рэдлер.

Обладая этими знаниями, исследователи теперь могут помочь определить элементы цитоскелета, которые важны для инвазии раковых клеток.