La migración celular es un proceso central en el desarrollo y mantenimiento de los organismos multicelulares . La formación de tejido durante el desarrollo embrionario , la cicatrización de heridas y las respuestas inmunes requieren el movimiento orquestado de las células en direcciones particulares a ubicaciones específicas. Las células a menudo migran en respuesta a señales externas específicas, incluidas señales químicas y señales mecánicas . [1] Los errores durante este proceso tienen graves consecuencias, incluida la discapacidad intelectual , la enfermedad vascular , la formación de tumores y la metástasis . [2] [3] Una comprensión del mecanismo por el cual las células migran puede conducir al desarrollo de nuevas estrategias terapéuticas para controlar, por ejemplo, las células tumorales invasivas.
Debido al entorno altamente viscoso ( número de Reynolds bajo ), las células necesitan producir fuerzas continuamente para moverse. Las células logran el movimiento activo mediante mecanismos muy diferentes. Muchos organismos procariotas menos complejos (y células espermáticas) utilizan flagelos o cilios para impulsarse. La migración de células eucariotas normalmente es 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 arrastre (el más estudiado) y la motilidad de vesículas . [4] [5] Un ejemplo paradigmático de movimiento de arrastre es el caso de los queratocitos epidérmicos de los peces, que se han utilizado ampliamente en la investigación y la enseñanza. [6]
La migración de células cultivadas adheridas a una superficie o en 3D se estudia comúnmente mediante microscopía . [7] [8] [5] Como el movimiento celular es muy lento, se graban videos de microscopía time-lapse de unos pocos μm/minuto de las células migratorias para acelerar el movimiento. Dichos videos (Figura 1) revelan que el frente celular líder es muy activo, con un comportamiento característico de contracciones y expansiones sucesivas. En general, se acepta que el frente líder es el motor principal que empuja a la célula hacia adelante.
Se cree que los procesos que subyacen a la migración de células de mamíferos son consistentes con los de la locomoción (no espermatozoides ) . [9] Las observaciones en común incluyen:
La última característica se observa más fácilmente cuando los agregados de una molécula de superficie se unen de forma cruzada con un anticuerpo fluorescente o cuando pequeñas perlas se unen artificialmente al frente de la célula. [10]
Se ha observado que otras células eucariotas migran de forma similar. La ameba Dictyostelium discoideum es útil para los investigadores porque muestra de forma constante quimiotaxis en respuesta al AMP cíclico ; se mueve más rápidamente que las células de mamíferos cultivadas; y tiene un genoma haploide que simplifica el proceso de conexión de un producto génico particular con su efecto sobre el comportamiento celular. [11]
Existen dos teorías principales sobre cómo la célula hace avanzar su borde frontal: el modelo del citoesqueleto y el modelo de flujo de membrana. Es posible que ambos procesos subyacentes contribuyan a la extensión celular.
La experimentación ha demostrado que hay una rápida polimerización de actina en el borde frontal de la célula. [12] 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 avanzar el borde frontal de la célula. [13] [14] Además, los elementos del citoesqueleto pueden interactuar extensa e íntimamente con la membrana plasmática de una célula. [15]
Otros componentes del citoesqueleto (como los microtúbulos) desempeñan funciones importantes en la migración celular. Se ha descubierto que los microtúbulos actúan como "puntales" que contrarrestan las fuerzas contráctiles necesarias para la retracción del borde posterior durante el movimiento celular. Cuando los microtúbulos del 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, se oponen a las fuerzas contráctiles. [16] 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. [17] Por otro lado, las altas concentraciones de fármacos o las mutaciones de microtúbulos que despolimerizan los microtúbulos pueden restablecer 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.
El borde delantero en la parte delantera de una célula migratoria es también el sitio en el que la membrana de los depósitos de membrana interna se devuelve a la superficie celular al final del ciclo endocítico . [18] [19] Esto sugiere que la extensión del borde delantero se produce principalmente por la adición de membrana en la parte delantera de la célula. Si es así, los filamentos de actina que se forman allí podrían estabilizar la membrana añadida de modo que se forme una extensión estructurada, o lámina, en lugar de una estructura similar a una burbuja (o bleb) en su parte delantera. [20] Para que una célula se mueva, es necesario llevar 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 sean endocitados [21] hacia la parte trasera de la célula y llevados al frente de la célula por exocitosis, para ser reutilizados para formar nuevas uniones al sustrato.
En el caso de las amebas de Dictyostelium , tres mutantes sensibles a la temperatura condicionales que afectan el reciclaje de la membrana bloquean la migración celular a la temperatura restrictiva (más alta); [22] [23] [24] proporcionan un respaldo adicional a la importancia del ciclo endocítico en la migración celular. Además, estas amebas se mueven bastante rápido: aproximadamente una longitud de célula en ~5 minutos. Si se las considera cilíndricas (lo que es más o menos cierto durante la quimiotaxización), esto requeriría que reciclaran el equivalente a una superficie celular cada 5 minutos, que es aproximadamente lo que se mide. [25]
El arrastre 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 ( amoebas de Dictyostelium , neutrófilos , células cancerosas metastásicas y macrófagos ) son capaces de migrar independientemente de la adhesión. Históricamente, el físico EM Purcell teorizó (en 1977) que en condiciones de dinámica de fluidos de bajo número de Reynolds , que se aplican a escala celular, el flujo superficial hacia atrás podría proporcionar un mecanismo para que los objetos microscópicos naden hacia adelante. [27] Después de algunas décadas, se proporcionó apoyo experimental para este modelo de movimiento celular cuando se descubrió (en 2010) que tanto las células ameboides como los neutrófilos pueden realizar quimiotaxia hacia una fuente de quimioatrayente mientras están suspendidos en un medio isodense. [28] Posteriormente se demostró, utilizando optogenética , que las células que migran de forma ameboide sin adherencias exhiben un flujo de membrana plasmática hacia la parte posterior de la célula que puede impulsar a las células al ejercer fuerzas tangenciales sobre el fluido circundante. [26] [29] El tráfico polarizado de vesículas que contienen membrana desde la parte posterior a la parte frontal de la célula ayuda a mantener el tamaño celular. [26] También se observó un flujo de membrana hacia atrás en células de Dictyostelium discoideum . [30] Estas observaciones brindan un fuerte apoyo a los modelos de movimiento celular que dependen de un flujo de membrana de 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 de superficie hacia atrás. [31]
Basándose en algunos modelos matemáticos, estudios recientes plantean la hipótesis de un nuevo modelo biológico para el mecanismo biomecánico y molecular colectivo del movimiento celular. [32] 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 de los microdominios organiza el citoesqueleto y su interacción con el sustrato. A medida que los microdominios desencadenan y mantienen la polimerización activa 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 con respecto al límite celular. También se propone que la interacción de los microdominios marca la formación de nuevos sitios de adhesión focal en la periferia celular. La interacción de la miosina con la red de actina genera entonces retracción/ondulación de la membrana, flujo retrógrado y fuerzas contráctiles para el movimiento hacia adelante. Finalmente, la aplicación continua de estrés en los antiguos sitios de adhesión focal podría dar como resultado la activación de la calpaína inducida por calcio y, en consecuencia, el desprendimiento de las adhesiones focales que completa el ciclo.
Las células migratorias tienen una polaridad : una parte delantera y una trasera. Sin ella, se moverían en todas direcciones a la vez, es decir, se dispersarían. Se desconoce cómo se formula esta polaridad a nivel molecular dentro de una célula. En una célula que serpentea de manera aleatoria, la parte delantera puede ceder fácilmente y volverse pasiva a medida que alguna otra región, o regiones, de la célula forman un nuevo frente. En las células que sufren quimiotaxación, la estabilidad de la parte delantera parece mejorar a medida que la célula avanza hacia una mayor concentración de la sustancia química estimulante. Desde una perspectiva biofísica, la polaridad se explicó en términos de un gradiente en la carga de la superficie de la membrana interna entre las regiones delanteras y los bordes traseros de la célula. [33] Esta polaridad se refleja a nivel molecular por una restricción de ciertas moléculas a regiones particulares de la superficie celular interna . Por lo tanto, el fosfolípido PIP3 y Ras, Rac y CDC42 activados se encuentran en la parte delantera de la célula, mientras que Rho GTPasa y PTEN se encuentran hacia la parte trasera. [34] [35] [36] [37]
Se cree que las actinas filamentosas y los microtúbulos son importantes para establecer y mantener la polaridad de una célula. [38] Los fármacos que destruyen los filamentos de actina tienen efectos múltiples y complejos, lo que refleja el amplio papel que estos filamentos desempeñan en muchos procesos celulares. Puede ser que, como parte del proceso locomotor, las vesículas de membrana se transporten a lo largo de estos filamentos hasta el frente de la célula. En las células que realizan quimiotaxización, la mayor persistencia de la migración hacia el objetivo puede ser el resultado 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 con la forma en que las moléculas como PIP3 y PTEN están dispuestas en la membrana celular interna. Y la ubicación de estas parece estar determinada a su vez por las señales quimioatrayentes a medida que inciden en receptores específicos en la superficie externa de la célula.
Aunque se sabe desde hace muchos años que los microtúbulos influyen en la migración celular, el mecanismo por el que lo hacen sigue siendo controvertido. En una superficie plana, los microtúbulos no son necesarios para el movimiento, pero son necesarios para proporcionar direccionalidad al movimiento celular y una protrusión eficiente del borde delantero. [17] [39] Cuando están presentes, los microtúbulos retardan el movimiento celular cuando su dinámica se suprime por un tratamiento farmacológico o por mutaciones de la tubulina. [17]
Se ha establecido un área de investigación llamada problemas inversos en la motilidad celular. [40] [41] [32] Este enfoque se basa en la idea de que los cambios de comportamiento o 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. [42] 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 realizar más inferencias sobre las estructuras moleculares, la dinámica y los procesos dentro de las células, como la red de actina, los microdominios, la quimiotaxis, la adhesión y el flujo retrógrado.
