Введение
Направленное движение клеточной подвижности под воздействием механических сигналов. Механотаксис – это направленное движение клеток под воздействием механических сигналов (например, напряжение сдвига жидкости, градиенты жесткости субстрата и т.д.). Например, было показано, что в ответ на напряжение сдвига жидкости клетки мигрируют по направлению потока жидкости. Механотаксис играет важную роль во многих нормальных биологических процессах у животных, таких как гаструляция, воспаление и регенерация тканей при заживлении ран, а также в механизмах развития заболеваний, таких как метастазирование опухолей. Первое сообщение о том, что определенные типы клеток, помещенные на градиент жесткости субстрата, мигрируют вверх по градиенту (то есть в направлении увеличения жесткости субстрата), было опубликовано Ло и соавторами. Основной метод создания градиентов жесткости для клеток (например, в биоматериалах) заключается в изменении степени сшивания полимеров для регулирования жесткости субстрата. Альтернативные градиенты жесткости субстрата включают градиенты массивов микростолбиков, где жесткость отдельных микростолбиков увеличивается в заданном направлении. Однако в последнее время исследователи также изучают, как контакт с соседней клеткой может изменять паттерн миграции клетки. Исследования механотаксиса эндотелиальных клеток в кровеносных сосудах и регенерации ран начались в 1990-х и начале 2000-х годов. В начале 2000-х и 2010-х годах в сообществе биомедицинской инженерии также возрос интерес к механотаксису как к потенциальному методу манипулирования клетками.
Mechanotaxis refers to the directed movement of cell motility via mechanical cues (e. g., fluidic shear stress, substrate stiffness gradients, etc.). In response to fluidic shear stress, for example, cells have been shown to migrate in the direction of the fluid flow. Mechanotaxis is critical in many normal biological processes in animals, such as gastrulation, inflammation, and repair in response to a wound, as well as in mechanisms of diseases such as tumor metastasis. The observation that certain cell types seeded on a substrate rigidity gradient migrate up the gradient (i. e. in the direction of increasing substrate stiffness) was first reported by Lo et al. The primary method for creating rigidity gradients for cells (e. g., in biomaterials) consists of altering the degree of cross linking in polymers to adjust substrate stiffness. Alternative substrate rigidity gradients include micropost array gradients, where the stiffness of individual microposts is increased in a single, designed direction. but more recently researchers have also examined how contact with a neighboring cell could cause changes in a cell's migration pattern. Researchers began investigating mechanotaxis of endothelial cells in blood vessels and wound repair in the 1990s and early 2000s. The early 2000s and 2010s also saw more interest in mechanotaxis in the biomedical engineering community as a potential method of cell manipulation.
Факторы/пути
Клетки могут обнаруживать и реагировать на механические стимулы различными способами. Один из механизмов – взаимодействие E-кадхерина, представленного на клеточной мембране. При взаимодействии этих рецепторов и их растяжении или сжатии возникает напряжение, приводящее к изменению конформации альфа-катенина, связанного с B-катенином во внутриклеточной части E-кадхерина. Это вызывает рекрутирование винкулина и приводит к изменению конформации актина и ориентации клетки. Другой важный сигнальный путь в реакции клетки на механические стимулы – это путь Wnt планарной полярности клеток (PCP). Этот неканонический путь включает активацию семейств GTPаз Rho и Rac, необходимых для реорганизации цитоскелета в преддверии миграции клеток. При столкновении клеток локальная сигнализация пути PCP приводит к изменению полярности клетки, перенаправляя ее движение. Различные клеточные рецепторы играют важную роль в клеточной механотрансдукции, обеспечивающей контакт с субстратом, таким как внеклеточный матрикс (ЭКМ). Например, многие типы клеток экспрессируют интеграин α5β1 на своих мембранах, который способен связываться с основным компонентом ЭКМ – фибронектином. Это приводит к накоплению интегранов в области контакта с ЭКМ, прикреплению ЭКМ к цитоскелету клетки и позволяет клетке мигрировать вдоль ЭКМ за счет напряжения в точках прикрепления (так называемых очаговых адгезий, ФА) и последующего распада ФА по мере движения клетки. Это приводит к втяжению клеточных выростов и изменению полярности клетки, что заставляет клетку NC менять направление, и, как следствие, к коллективной миграции. В процессе развития окружающие клетки чаще всего влияют на клетки, направляя их к коллективной миграции, например, клетки-полистеры, которые первыми интернализируются в начале гаструляции у рыбок-зебр. В отличие от клеток нервного гребня, эти клетки не проявляют контактного ингибирования локомоции или коаттракции, а вместо этого мигрируют коллективно благодаря взаимодействиям E-кадхерина между лидирующими и следующими клетками. Следующие клетки-полистеры поляризуются и мигрируют к животному полюсу эмбриона по неизвестным причинам, направляя свои актин-богатые выросты к лидирующим клеткам и индуцируя взаимодействие между белками E-кадхерина, расположенными на мембранах выростов следующих клеток и мембранах лидирующих клеток. Взаимодействие между E-кадхеринами создает напряжение, которое приводит к растяжению внутреннего катенина (соединяющего внеклеточный E-кадхерин с внутриклеточным актином) в открытую конформацию, что способствует рекрутированию винкулина и, в конечном итоге, ориентации актина в том же направлении миграции, что и у следующих клеток. Без этих взаимодействий E-кадхерина лидирующие клетки будут демонстрировать не направленную миграцию.
Механотаксика в заживлении ран
При заживлении ран стресс от сдвига жидкости играет важную роль в механической направленности (механотаксисе) эндотелиальных клеток к месту раны. Внутренняя выстилка кровеносных сосудов состоит из этих эндотелиальных клеток, что означает, что они постоянно подвергаются воздействию стресса от сдвига жидкости, вызванного потоком крови через сосуды. Это механическое воздействие на апикальную сторону эндотелиальных клеток приводит к активации интегральной сигнализации, включающей рекрутирование очаговой адгезионной киназы (FAK), Shc и Crk, и вызывает изменения в клеточном взаимодействии и адгезии клеток к внеклеточному матриксу (ECM). Эти изменения проявляются в образовании ламеллиподий и очаговых адгезий (ОА) в передней части клетки, а также в разрушении ОА в задней части клетки, что заставляет эндотелиальные клетки перемещаться по направлению потока. Установлено, что постоянный ламинарный поток улучшает миграцию клеток в ране и ускоряет закрытие раны.