Оптогенетический контроль раскрывает коллективное поведение клеток

Новое исследование под руководством Института биоинженерии Каталонии (IBEC) изучило миграционное движение групп клеток с помощью светового контроля. Результаты показывают, что нет ведущей клетки, которая направляет коллективное движение, как считалось ранее, — в процессе участвуют все клетки.

Эти выводы важны для разработки методов лечения, чтобы остановить опухолевую инвазию или ускорить заживление ран — физиологические процессы, тесно связанные с миграцией клеток. Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.

В таких процессах, как эмбриональное развитие, заживление ран или раковая инвазия, клетки перемещаются группами скоординированно. Считалось, что во главе этих групп стоят так называемые клетки-лидеры — высокоподвижные клетки, которые, казалось бы, направляют миграцию всей группы, подобно тому как группы животных часто организуются по указаниям вожака.

Исследование IBEC попыталось создать клетки-лидеры в лаборатории с помощью оптогенетического контроля, чтобы проверить, действительно ли существуют клетки, направляющие это коллективное движение, и клетки, следующие за ними, а также как информация передаётся от одних к другим для скоординированного перемещения.

Исследовательская группа использовала генетически модифицированные клетки, способные следовать за движением синего света. Там, где клетка освещается лучом света, активируется белок Rac1, вызывающий выпячивание, известное как ламеллоподий, что облегчает движение клетки.

В разработанной модели клетки помещали на субстрат из геля с жёсткостью, подобной тканям тела, содержащий линейный паттерн, так что группы разного количества клеток выстраивались в ряд вдоль этого паттерна. Затем эти «поезда» клеток освещали лучом синего света, чтобы изучить их коллективное движение.

«Мы создали своего рода поезд с разными вагонами, которыми являются клетки. Мы наблюдали, что освещённые клетки не способны тянуть за собой минимальное количество последователей, поэтому они не ведут движение. У нас нет поезда, а каждый вагон имеет собственный двигатель и контролирует свою скорость и ускорение — каждая отдельная клетка является активным игроком в коллективном движении», — говорит Леоне Россетти, бывший исследователь IBEC и первый автор статьи.

Эксперименты показывают, что нет клетки-лидера, направляющей коллективное поведение, — в движении участвуют и клетки, которые считались ведомыми.

«Эти результаты важны при разработке методов лечения для остановки опухолевой инвазии или ускорения заживления ран. Нам придётся воздействовать на весь набор клеток, вовлечённых в движение, а не только на одну клетку, которая, как мы думали, ведёт за собой остальных», — объясняет Ксавьер Трепат, профессор-исследователь ICREA в IBEC и руководитель исследования.

Связь между силами клеток и их скоростями — одна из самых фундаментальных и нерешённых проблем в миграции клеток. Однако физические правила, описывающие движение тел в макроскопическом мире, нельзя напрямую использовать на клеточном уровне, поэтому необходимо создавать новые модели, позволяющие описывать движение на микроскопическом уровне.

В сотрудничестве с Рикардом Алертом из Института физики сложных систем Макса Планка в Дрездене исследователи разработали математическую модель, определяющую, как пространственное распределение сил, генерируемых клетками, преобразуется в скорость их миграции.

Ксавьер Трепат, руководивший исследованием, также является профессором Барселонского университета (UB) и членом Центра сетевых биомедицинских исследований в области биоинженерии, биоматериалов и наномедицины (CIBER-BBN). Это исследование является частью постдокторской работы Леоне Россетти.