Migración celular

La migración celular es un proceso central en el desarrollo y mantenimiento de organismos multicelulares. La formación de tejidos durante el desarrollo embrionario, la cicatrización de heridas y las respuestas inmunitarias requieren el movimiento orquestado de las células en direcciones particulares hacia ubicaciones específicas. Las células a menudo migran en respuesta a señales externas específicas, incluidas señales químicas y señales mecánicas. Los errores durante este proceso tienen graves consecuencias, como discapacidad intelectual, enfermedad vascular, formación de tumores y metástasis. La comprensión del mecanismo por el cual migran las células puede conducir al desarrollo de nuevas estrategias terapéuticas para controlar, por ejemplo, las células tumorales invasivas.

Debido al entorno altamente viscoso (bajo número de Reynolds), las células necesitan producir fuerzas continuamente para poder moverse. Las células logran el movimiento activo por mecanismos muy diferentes. Muchos organismos procarióticos menos complejos (y espermatozoides) utilizan flagelos o cilios para propulsarse. La migración de células eucariotas suele ser mucho más compleja y puede consistir en combinaciones de diferentes mecanismos de migración. Generalmente implica cambios drásticos en la forma de la célula que son impulsados ​​por el citoesqueleto. Dos escenarios de migración muy distintos son el movimiento de rastreo (más comúnmente estudiado) y la motilidad de ampollas. Un ejemplo paradigmático del movimiento de reptación es el caso de los queratocitos epidérmicos de peces, que han sido ampliamente utilizados en investigación y docencia.

Estudios de migración celular

La migración de células cultivadas adheridas a una superficie o en 3D se estudia comúnmente mediante microscopía. Como el movimiento celular es muy lento, se graban videos de microscopía de lapso de tiempo de unos pocos µm/minuto de las células que migran para acelerar el movimiento. Dichos videos (Figura 1) revelan que el frente de la celda principal es muy activo, con un comportamiento característico de contracciones y expansiones sucesivas. Generalmente se acepta que el frente delantero es el motor principal que empuja la célula hacia adelante.

Características comunes

Se cree que los procesos subyacentes a la migración de células de mamíferos son consistentes con los de la locomoción (no espermatozoica). Las observaciones en común incluyen:

• desplazamiento citoplasmático en el borde de ataque (frente)
• eliminación laminar de desechos acumulados dorsalmente hacia el borde de salida (atrás)

La última característica se observa más fácilmente cuando los agregados de una molécula de superficie se entrecruzan con un anticuerpo fluorescente o cuando pequeñas perlas se unen artificialmente al frente de la célula.

Se observa que otras células eucariotas migran de manera similar. La ameba Dictyostelium discoideum es útil para los investigadores porque exhiben quimiotaxis consistentemente en respuesta al AMP cíclico; se mueven más rápidamente que las células de mamíferos cultivadas; y tienen un genoma haploide que simplifica el proceso de conectar un producto génico particular con su efecto sobre el comportamiento celular.

Procesos moleculares de migración.

Hay dos teorías principales sobre cómo la célula avanza en su borde frontal: el modelo de citoesqueleto y el modelo de flujo de membrana. Es posible que ambos procesos subyacentes contribuyan a la extensión celular.

Modelo de citoesqueleto (A)

Vanguardia

La experimentación ha demostrado que hay una rápida polimerización de actina en el borde frontal de la célula. Esta observación ha llevado a la hipótesis de que la formación de filamentos de actina "empuja" el borde delantero hacia adelante y es la principal fuerza móvil para hacer avanzar el borde frontal de la célula. Además, los elementos del citoesqueleto pueden interactuar extensa e íntimamente con la membrana plasmática de una célula.

Borde de fuga

Otros componentes del citoesqueleto (como los microtúbulos) tienen funciones importantes en la migración celular. Se ha descubierto que los microtúbulos actúan como "puntales" que contrarrestan las fuerzas contráctiles que se necesitan para la retracción del borde de salida durante el movimiento celular. Cuando los microtúbulos en el borde posterior de la célula son dinámicos, pueden remodelarse para permitir la retracción. Cuando se suprime la dinámica, los microtúbulos no pueden remodelarse y, por lo tanto, oponerse a las fuerzas contráctiles. La morfología de las células con dinámica de microtúbulos suprimida indica que las células pueden extender el borde frontal (polarizado en la dirección del movimiento), pero tienen dificultad para retraer su borde posterior.Por otra parte, las altas concentraciones de fármaco, o las mutaciones de los microtúbulos que despolimerizan los microtúbulos, pueden restaurar la migración celular pero hay una pérdida de direccionalidad. Se puede concluir que los microtúbulos actúan tanto para restringir el movimiento celular como para establecer la direccionalidad.

Modelo de flujo de membrana (B)

El frente de una célula migratoria es también el sitio en el que la membrana de los depósitos de membranas internas regresa a la superficie celular al final del ciclo endocítico. Esto sugiere que la extensión del borde de ataque ocurre principalmente por la adición de una membrana en el frente de la celda. Si es así, los filamentos de actina que se forman allí podrían estabilizar la membrana agregada para que se forme una extensión estructurada, o lámina, en lugar de una estructura similar a una burbuja (o ampolla) en su frente. Para que una célula se mueva, es necesario traer un nuevo suministro de "pies" (proteínas llamadas integrinas, que unen una célula a la superficie sobre la que se arrastra) al frente. Es probable que estos pies estén endocitados.hacia la parte trasera de la célula y llevada al frente de la célula por exocitosis, para ser reutilizada para formar nuevas uniones al sustrato.

En el caso de Dictyostelium amebae, tres mutantes condicionales sensibles a la temperatura que afectan el reciclaje de la membrana bloquean la migración celular a la temperatura restrictiva (más alta); proporcionan apoyo adicional a la importancia del ciclo endocítico en la migración celular. Además, estas amebas se mueven con bastante rapidez: aproximadamente una longitud de célula en ~5 minutos. Si se consideran cilíndricos (lo que es más o menos cierto durante la quimiotensión), esto requeriría que reciclaran el equivalente a un área de superficie celular cada 5 minutos, que es aproximadamente lo que se mide.

Base mecánica de la migración ameboidea

El rastreo adhesivo no es el único modo de migración exhibido por las células eucariotas. Es importante destacar que se ha descubierto que varios tipos de células (amebas de Dictyostelium, neutrófilos, células cancerosas metastásicas y macrófagos) son capaces de realizar una migración independiente de la adhesión. Históricamente, el físico EM Purcell teorizó (en 1977) que, en condiciones de dinámica de fluidos con un número de Reynolds bajo, que se aplica a escala celular, el flujo superficial hacia atrás podría proporcionar un mecanismo para que los objetos microscópicos naden hacia adelante. Después de algunas décadas, se proporcionó apoyo experimental para este modelo de movimiento celular cuando se descubrió (en 2010) que las células ameboides y los neutrófilos pueden aplicar quimiotaxis hacia una fuente quimioatrayente mientras están suspendidas en un medio isodenso.Posteriormente se demostró, usando optogenética, que las células que migran de forma ameboidea sin adherencias exhiben un flujo de membrana plasmática hacia la parte trasera de la célula que puede impulsar a las células ejerciendo fuerzas tangenciales sobre el fluido circundante. El tráfico polarizado de vesículas que contienen membrana desde la parte posterior hacia el frente de la célula ayuda a mantener el tamaño de la célula. También se observó flujo de membrana hacia atrás en células de Dictyostelium discoideum. Estas observaciones brindan un fuerte apoyo para los modelos de movimiento celular que dependen de un flujo de membrana de la superficie celular hacia atrás (Modelo B, arriba). Curiosamente, también se ha descubierto que la migración de grupos supracelulares está respaldada por un mecanismo similar de flujo superficial hacia atrás.

Mecanismo colectivo biomecánico y molecular del movimiento celular.

Sobre la base de algunos modelos matemáticos, estudios recientes plantean la hipótesis de un modelo biológico novedoso para el mecanismo biomecánico y molecular colectivo del movimiento celular.Se propone que los microdominios tejen la textura del citoesqueleto y sus interacciones marcan la ubicación para la formación de nuevos sitios de adhesión. Según este modelo, la dinámica de señalización del microdominio organiza el citoesqueleto y su interacción con el sustrato. Como los microdominios desencadenan y mantienen activa la polimerización de los filamentos de actina, su propagación y movimiento en zigzag en la membrana generan una red altamente interconectada de filamentos curvos o lineales orientados en un amplio espectro de ángulos hacia el límite celular. También se propone que la interacción de microdominio marca la formación de nuevos sitios de adhesión focal en la periferia celular. La interacción de la miosina con la red de actina luego genera retracción/rizado de la membrana, flujo retrógrado y fuerzas contráctiles para el movimiento hacia adelante. Por fin,

Polaridad en células migratorias

Las células migratorias tienen una polaridad: un frente y un reverso. Sin ella, se moverían en todas direcciones a la vez, es decir, se extenderían. Se desconoce cómo se formula esta polaridad a nivel molecular dentro de una célula. En una celda que serpentea de manera aleatoria, el frente puede fácilmente dar paso a volverse pasivo cuando alguna otra región o regiones de la celda forman un nuevo frente. En las células quimiotensoras, la estabilidad del frente parece mejorada a medida que la célula avanza hacia una mayor concentración de la sustancia química estimulante. Esta polaridad se refleja a nivel molecular por una restricción de ciertas moléculas a regiones particulares de la superficie celular interna. Así, el fosfolípido PIP3 y Rac y CDC42 activados se encuentran en la parte delantera de la célula, mientras que Rho GTPasa y PTEN se encuentran en la parte trasera.

Se cree que las actinas filamentosas y los microtúbulos son importantes para establecer y mantener la polaridad de una célula.Los fármacos que destruyen los filamentos de actina tienen efectos múltiples y complejos, lo que refleja el amplio papel que desempeñan estos filamentos en muchos procesos celulares. Puede ser que, como parte del proceso locomotor, las vesículas de la membrana sean transportadas a lo largo de estos filamentos hacia el frente de la célula. En las células quimiotensoras, la mayor persistencia de la migración hacia el objetivo puede resultar de una mayor estabilidad de la disposición de las estructuras filamentosas dentro de la célula y determinar su polaridad. A su vez, estas estructuras filamentosas pueden estar dispuestas dentro de la célula de acuerdo a cómo están dispuestas moléculas como PIP3 y PTEN en la membrana celular interna. Y el lugar donde se localizan parece estar determinado a su vez por las señales quimioatrayentes, ya que éstas inciden sobre receptores específicos en la superficie externa de la célula.

Aunque se sabe que los microtúbulos influyen en la migración celular durante muchos años, el mecanismo por el cual lo hacen sigue siendo controvertido. En una superficie plana, los microtúbulos no son necesarios para el movimiento, pero sí para proporcionar direccionalidad al movimiento celular y una protuberancia eficiente del borde de ataque. Cuando están presentes, los microtúbulos retardan el movimiento celular cuando su dinámica es suprimida por el tratamiento farmacológico o por mutaciones de tubulina.

Problemas inversos en el contexto de la motilidad celular.

Se ha establecido un área de investigación denominada problemas inversos en la motilidad celular. Este enfoque se basa en la idea de que los cambios de comportamiento o de forma de una célula contienen información sobre los mecanismos subyacentes que generan estos cambios. La lectura del movimiento celular, es decir, la comprensión de los procesos biofísicos y mecanoquímicos subyacentes, es de suma importancia. Los modelos matemáticos desarrollados en estos trabajos determinan algunas características físicas y propiedades materiales de las células localmente a través del análisis de secuencias de imágenes de células vivas y utilizan esta información para hacer más inferencias sobre las estructuras moleculares, la dinámica y los procesos dentro de las células, como la actina. red, microdominios, quimiotaxis, adhesión y flujo retrógrado.