Исследователи выяснили, как клетки движутся, избегая адгезии

Скорость движения клетки зависит от липкости поверхности под ней, но точные механизмы этой взаимосвязи оставались неясными десятилетиями. Исследователи из Центра молекулярной медицины им. Макса Дельбрюка (MDC) и Мюнхенского университета им. Людвига-Максимилиана (LMU) определили точную механику и разработали математическую модель, описывающую силы, участвующие в движении клеток. Результаты, опубликованные в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), дают новое понимание для биологии развития и потенциального лечения рака.

Движение клеток — фундаментальный процесс, критически важный во время развития, когда клетки дифференцируются и перемещаются в правильную ткань. Клетки также движутся для заживления ран, а раковые клетки ползут к ближайшему кровеносному сосуду для метастазирования.

«Разработанную нами математическую модель теперь могут использовать исследователи, чтобы предсказывать, как разные клетки будут вести себя на различных субстратах, — говорит профессор Мартин Фальке, руководитель лаборатории математической клеточной физиологии MDC и соавтор исследования. — Понимание этих базовых движений в деталях может указать на новые мишени для прерывания метастазирования опухоли».

Синтез эксперимента и теории

Открытие стало возможным благодаря сотрудничеству экспериментальных физиков из LMU и теоретических физиков из MDC. Экспериментальная группа под руководством профессора Йоахима Рэдлера отследила скорость движения более 15 000 раковых клеток по узким дорожкам на липкой поверхности, где липкость чередовалась между низкой и высокой. Это позволило наблюдать, что происходит при переходе клетки между уровнями липкости, что лучше отражает динамическую среду внутри организма.

Затем Фальке и Бехнам Амири, соавтор статьи и аспирант лаборатории Фальке, использовали этот большой набор данных для разработки математического уравнения, описывающего элементы, формирующие подвижность клеток.

«Предыдущие математические модели, пытающиеся объяснить миграцию и подвижность клеток, очень специфичны — они работают только для одной особенности или типа клеток, — говорит Амири. — Мы постарались сделать нашу модель как можно более простой и общей».

Подход сработал лучше ожидаемого: модель соответствовала данным, собранным в LMU, и оказалась верна для измерений нескольких других типов клеток, проведённых за последние 30 лет. «Это захватывающе, — говорит Фальке. — Редко удаётся найти теорию, объясняющую такой широкий спектр экспериментальных результатов».

Ключевую роль играет трение

Когда клетка движется, она выталкивает свою мембрану в направлении движения, расширяя внутреннюю сеть актиновых филаментов, а затем отрывает свою заднюю часть. Скорость этого процесса зависит от адгезионных связей, образующихся между клеткой и поверхностью под ней. При отсутствии связей клетка почти не может двигаться, потому что актиновая сеть не может оттолкнуться. Причина — в трении: «Когда вы на коньках, вы не можете толкнуть машину. Только при достаточном трении между вашей обувью и землёй вы сможете это сделать», — объясняет Фальке.

По мере увеличения числа связей, создающих больше трения, клетка может генерировать больше силы и двигаться быстрее — до того момента, когда поверхность становится настолько липкой, что оторвать заднюю часть становится гораздо сложнее, и клетка снова замедляется.

Исследователи изучили, что происходит, когда передняя и задняя части клетки испытывают разную степень липкости. Их особенно интересовало, что происходит, когда задняя часть клетки прилипает сильнее, чем передняя, поскольку в этом случае клетка потенциально может «застрять», не сумев создать достаточную силу для отрыва задней части.

Так могло бы быть, если бы адгезионные связи были больше похожи на винты, прикручивающие клетку к субстрату. Сначала Фальке и Амири включили в модель этот тип «упругой» силы, но уравнение работало только с силами трения.

«Для меня самой сложной частью было осознать, что этот механизм работает только за счёт сил трения», — говорит Фальке, потому что клетке не за что зацепиться прочно. Но именно силы, подобные трению, позволяют клетке продолжать движение, даже когда связи сзади сильнее, чем спереди, медленно отклеиваясь, как скотч. «Даже если тянуть совсем немного со слабой силой, ленту всё равно можно отклеить — очень медленно, но она отклеится, — говорит Фальке. — Вот как клетка избегает застревания».

Сейчас команда исследует, как клетки движутся в двух измерениях, включая то, как они совершают резкие повороты направо, налево и развороты.