La migración celular es un proceso central en el desarrollo y mantenimiento de organismos multicelulares . La formación de tejido durante el desarrollo embrionario , la cicatrización de heridas y las respuestas inmunitarias requieren el movimiento orquestado de células en direcciones particulares hacia lugares específicos. 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, incluyendo discapacidad intelectual , enfermedades vasculares , formación de tumores y metástasis . La 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 (bajo número de Reynolds ), las células necesitan producir fuerzas continuamente para poder moverse. Las células logran un movimiento activo mediante mecanismos muy diferentes. Muchos organismos procarióticos menos complejos (y espermatozoides) utilizan flagelos o cilios para impulsarse. 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 las células impulsados por el citoesqueleto . Dos escenarios de migración muy distintos son el movimiento de gateo (el más comúnmente estudiado) y la motilidad con ampollas . [2] [3] Un ejemplo paradigmático de movimiento de gateo es el caso de los queratocitos epidérmicos de peces, que se han utilizado ampliamente en la investigación y la enseñanza. [4]
La migración de células cultivadas adheridas a una superficie o en 3D se estudia comúnmente mediante microscopía . [5] [6] [3] Como el movimiento celular es muy lento, se graban vídeos de microscopía de lapso de tiempo de unos pocos µm/minuto de las células migratorias para acelerar el movimiento. Dichos vídeos (Figura 1) revelan que el frente celular líder es muy activo, con un comportamiento característico de sucesivas contracciones y expansiones. Generalmente se acepta que el frente principal es el motor principal que empuja la célula hacia adelante.
Se cree que los procesos subyacentes a la migración de células de mamíferos son consistentes con los de la locomoción (no espermatozoica ) . [7] Las observaciones en común incluyen:
Esta 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. [8]
Se observa que otras células eucariotas migran de manera similar. La ameba Dictyostelium discoideum es útil para los investigadores porque exhibe consistentemente quimiotaxis 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 genético particular con su efecto sobre el comportamiento celular. [9]
Hay dos teorías principales sobre cómo la célula avanza su borde frontal: el modelo citoesquelético y el modelo de flujo de membrana. Es posible que ambos procesos subyacentes contribuyan a la extensión celular.
Los experimentos han demostrado que hay una rápida polimerización de actina en el borde frontal de la célula. [10] 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. [11] [12] Además, los elementos citoesqueléticos pueden interactuar amplia e íntimamente con la membrana plasmática de una célula. [13]
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 necesarias 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 tanto, oponerse a las fuerzas contráctiles. [14] 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 dificultades para retraer su borde posterior. [15] Por otro lado, 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.
El borde de ataque en la parte frontal de una célula migratoria es también el sitio en el que la membrana de los conjuntos de membranas internas regresa a la superficie celular al final del ciclo endocítico . [16] [17] Esto sugiere que la extensión del borde de ataque se produce principalmente mediante la adición de una membrana en la parte frontal de la celda. 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 laminilla, en lugar de una estructura similar a una burbuja (o ampolla) en su parte frontal. [18] 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 sean endocitosados [19] hacia la parte posterior de la célula y llevados al frente de la célula mediante exocitosis, para ser reutilizados 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); [20] [21] [22] brindan apoyo adicional a la importancia del ciclo endocítico en la migración celular. Además, estas amebas se mueven con bastante rapidez: aproximadamente la longitud de una célula en ~5 minutos. Si se consideran cilíndricos (lo que es más o menos cierto durante la quimiotaxación), esto requeriría que reciclaran el equivalente a una superficie celular cada 5 minutos, que es aproximadamente lo que se mide. [23]
El arrastre adhesivo no es el único modo de migración que presentan las células eucariotas. Es importante destacar que se ha descubierto que varios tipos de células ( Dictyostelium amebae, 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 aplican a escala celular, el flujo superficial hacia atrás podría proporcionar un mecanismo para que los objetos microscópicos naden hacia adelante. [25] 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 son capaces de quimiotaxarse hacia una fuente de quimioatrayente mientras están suspendidos en un medio isodenso. [26] 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 las células ejerciendo fuerzas tangenciales sobre el líquido circundante. [24] [27] El tráfico polarizado de vesículas que contienen membranas desde la parte posterior hacia la parte frontal de la célula ayuda a mantener el tamaño celular. [24] También se observó flujo de membrana hacia atrás en células de Dictyostelium discoideum . [28] Estas observaciones proporcionan un fuerte apoyo a los modelos de movimiento celular que dependen de un flujo de membrana hacia 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. [29]
Basados en algunos modelos matemáticos, estudios recientes plantean la hipótesis de un nuevo modelo biológico para el mecanismo biomecánico y molecular colectivo del movimiento celular. [30] 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 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 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 retracción/rizado 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 adherencias focales que completa el ciclo.
Las células migratorias tienen una polaridad : un frente y un reverso. Sin él, 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 ceder y volverse pasivo cuando alguna otra región, o regiones, de la celda forman un nuevo frente. En las células quimiotaxantes, la estabilidad del frente parece mejorar a medida que la célula avanza hacia una mayor concentración de la sustancia química estimulante. Desde una perspectiva biofísica, la polaridad se explica en términos de un gradiente en la carga de la superficie de la membrana interna entre las regiones frontales y los bordes posteriores de la célula. [31] 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 frontal de la célula, mientras que Rho GTPasa y PTEN se encuentran hacia la parte trasera. [32] [33]
Se cree que las actinas filamentosas y los microtúbulos son importantes para establecer y mantener la polaridad de una célula. [34] 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 membrana sean transportadas a lo largo de estos filamentos hasta el frente de la célula. En las células quimiotásicas, 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 disponerse dentro de la célula de acuerdo con cómo se disponen moléculas como PIP3 y PTEN en la membrana celular interna. Y su ubicación parece estar determinada a su vez por las señales quimioatrayentes, ya que inciden en receptores específicos de la superficie exterior de la célula.
Aunque desde hace muchos años se sabe que los microtúbulos influyen en la migración celular, 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 protrusión eficiente del borde de ataque. [15] [35] Cuando están presentes, los microtúbulos retardan el movimiento celular cuando su dinámica es suprimida por un tratamiento farmacológico o por mutaciones de tubulina. [15]
Se ha establecido un área de investigación denominada problemas inversos en la motilidad celular. [36] [37] [30] 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. Leer el movimiento celular, es decir, comprender los procesos biofísicos y mecanoquímicos subyacentes, es de suma importancia. [38] [39] 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 del células, como la red de actina, microdominios, quimiotaxis, adhesión y flujo retrógrado.
