Ученые выяснили точную механику движения клетки и разработали математическую модель, фиксирующую силы, участвующие в движении клеток, пишет eurekalert.org со ссылкой на Proceedings of the National Academy of Sciences.

Как известно, скорость движения клетки, зависит от того, насколько липкая поверхность под ней, но точные механизмы этой связи оставались неуловимыми в течение десятилетий. Теперь исследователи из Центра молекулярной медицины Макса Дельбрюка в Ассоциации Гельмгольца (MDC) и Университета Людвига Максимилиана в Мюнхене (LMU) выяснили точную механику и разработали математическую модель, фиксирующую силы, участвующие в движении клеток. Результаты исследования предоставляют новое понимание биологии развития и потенциального лечения рака.

Движение клеток – это фундаментальный процесс, особенно критический во время развития, когда клетки дифференцируются в свой тип клеток-мишеней, а затем переходят в нужную ткань. Клетки также перемещаются, чтобы заживить раны, в то время как раковые клетки ползут к ближайшему кровеносному сосуду, чтобы распространиться на другие части тела.

«Разработанную нами математическую модель теперь могут использовать исследователи для прогнозирования того, как разные клетки будут вести себя на разных субстратах, – говорит профессор Мартин Фальке, возглавляющий лабораторию математической физиологии клеток MDC и со-руководивший исследованием. – Понимание этих основных движений в деталях может дать новые цели для прерывания метастазирования опухоли».

Открытие стало возможным благодаря физикам-экспериментаторам из LMU и физикам-теоретикам из MDC. Экспериментаторы во главе с профессором Йоахимом Редлером отслеживали, как быстро более 15 000 раковых клеток перемещались по узким дорожкам на липкой поверхности, где степень липкости чередовалась между низкой и высокой. Это позволило им наблюдать, что происходит при переходе клетки между уровнями липкости, что более характерно для динамической среды внутри тела.

Мартин Фальке использовал большой набор данных для разработки математического уравнения, которое учитывает элементы, определяющие 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 это как можно более простым и общим».

Подход сработал даже лучше, чем ожидалось: модель соответствовала данным, собранным в LMU, и верна для измерений нескольких других типов клеток, проведенных за последние 30 лет.

«Это захватывающе, – говорит Фальке. – Редко можно встретить теорию, объясняющую такой широкий спектр экспериментальных результатов».

Когда клетка движется, она выталкивает свою мембрану в направлении движения, расширяя внутреннюю сеть актиновых нитей по мере движения, а затем отслаивает задний конец. Как быстро это произойдет, зависит от адгезионных связей, которые образуются между клеткой и поверхностью под ней. Когда нет связей, клетка практически не может двигаться, потому что актиновой сети не к чему отталкиваться. Причина в трении.

«Когда вы катаетесь на коньках, вы не можете толкать машину, только когда между вашими ботинками и землей имеется достаточное трение, вы можете толкнуть машину», – говорит Фальке.

По мере увеличения количества связей, создавая большее трение, клетка может генерировать больше силы и двигаться быстрее, пока не станет настолько липкой, что оторвать задний конец станет намного труднее, что снова замедлит клетку.

Исследователи изучили, что происходит, когда передний и задний концы клетки испытывают разные уровни липкости. Им было особенно любопытно выяснить, что происходит, когда задний конец клетки становится более липким, чем передний, потому что именно тогда клетка потенциально может застрять, не имея возможности создать достаточную силу, чтобы оторвать задний конец.

Это могло быть так, если бы адгезионные связи были больше похожи на винты, удерживающие ячейку на подложке. Сначала Фальке и Амири включили этот тип «упругой» силы в свою модель, но уравнение работало только с силами трения.

«Для меня самой сложной задачей было осознать этот механизм, работающий только с силами трения», – говорит Фальке, потому что клетке не за что крепко держаться. Но именно силы трения позволяют клетке продолжать движение, даже когда связи сзади сильнее, чем спереди, медленно отслаиваясь, как скотч. «Даже если вы немного потянете с небольшим усилием, вы все равно сможете оторвать ленту – очень медленно, но она отрывается, – говорит Фальке. – Так клетка не застревает».

В настоящее время команда исследует, как клетки перемещаются в двух измерениях, включая то, как они совершают резкие повороты вправо и влево и развороты.