Buněčná migrace

Tento typ buněčné migrace byl studován zejména na fibroblastech a dalších typech normálních i nádorových buněk in vitro.  Často se označuje jako „plazení“ („cell crawling“) a je to dosud nejdůkladněji prozkoumaný způsob buněčné migrace.

Na podkladu kultivačních nádob se buňky rozprostřou a získají výraznou předo-zadní polaritu (Obr. 4).  Na předním konci buňky, zvaném vedoucí konec, se vytvoří široké výběžky plazmatické membrány zvané lamelipodia spolu s úzkými dlouhými výběžky zvanými filopodia. Lamelipodia i filopodia vznikají polymerací aktinových vláken ve směru pohybu buňky. V lamelipodiích jsou tato vlákna uspořádána do silně rozvětvené sítě, ve filopodiích tvoří rovnoběžné svazky. Lamelipodia a filopodia jsou průzkumné struktury, kterými buňka ohledává terén ve směru pohybu. Jsou velmi dynamické, rychle vznikají a zase zanikají, vedoucí konec plazící se buňky se tak neustále vlní a přelévá (v angličtině se tomu říká „ruffling“). Na spodní straně lamelipodia se tvoří tzv. fokální adheze – body zakotvení, kterými buňka adheruje poměrně pevně k povrchu, po kterém se plazí. Fokální adheze obsahují transmembránové adhezní proteiny integriny a mnoho dalších proteinů. Jejich úkolem je propojit aktinová vlákna v buněčné cytoplazmě s vlákny extracelulární matrix (ECM) a tak pevně přichytit buňku k podkladu. Aktinová vlákna zakotvená ve fokálních adhezích jsou uspořádána do rovnoběžných svazků zvaných stresová vlákna, obsahujících kromě dalších proteinů také nesvalový myosin II. Jsou kontraktilní a fungují jako buněčné svaly – jejich kontrakcí buňka přitahuje svůj zadní konec (Obr. 5).

Obr. 4   Plazení fibroblastu po pevném podkladu. A) Schematické znázornění hlavních struktur plazící se buňky. B) Lidský fibroblast v kultuře in vitro, imunofluorescěnční barvení aktinových vláken (oranžově) a proteinu parvinu (zeleně). Parvin je součástí fokálních adhezí.

Obr. 5  Uspořádání aktinu v plazící se buňce.

Plazení fibroblastu je cyklický děj, sestávající z několika kroků: extenze, adheze, kontrakce a  retrakce. Buňka adheruje k podkladu pomocí fokálních adhezí, vedoucí konec buňky je protažený ve směru pohybu (Obr. 6A).  Ve fázi extenze dojde k polymeraci aktinových vláken ve směru pohybu a tím k prodloužení lamelipodií a filopodiií (Obr. 6B). Na spodní straně nově vytvořených výběžků vzniknou nové fokální adheze (Obr. 6C).  Následuje kontrakce a retrakce - dojde ke stahu stresových vláken, buňka přitáhne zadní konec a přesune těžiště dopředu. Zároveň musí dojít k rozpadu fokálních adhezí na zadním konci buňky (Obr. 6D). Buňka se posunula dopředu, cyklus se může opakovat (Obr. 6E).

Obr. 6  Plazení fibroblastu jako cyklický pohyb.

Výše popsaný pohyb buňky po povrchu kultivační nádoby neodpovídá zcela skutečné situaci in vivo.  Za některých okolností mohou i buňky in vivo migrovat po 2D povrchu, například epitelové buňky po povrchu bazální membrány během organogeneze, nebo buňky imunitního systému po stěnách cév. Většina pohybů se však děje ve 3D uspořádání, kdy je migrující buňka ze všech stran obklopena  ostatními buňkami nebo extracelulární matrix (ECM). Buňky si tak musejí buď najít nebo vytvořit cestu skrz stěny cév, pojivové tkáně nebo epitely. Konkrétní způsob pohybu je ovlivněn vlastnostmi prostředí – typem a hustotou vláken ECM, jejich tuhostí a vzájemnou orientací. Na straně buněk záleží zejména na  síle adheze buňky k podkladu a také na mechanické odolnosti buněčného jádra. Buňky imunitního systému (např. dendritické buňky) mají měkká, snadno deformovatelná jádra a adherují k ECM poměrně slabě, což jim umožňuje rychle se pohybovat mezi vlákny. Fibroblasty se pohybují pomaleji, mají tužší jádra a během pohybu adherují silněji k vláknům ECM. Protáhnout objemné buněčné jádro prostory mezi buňkami je však problém společný všem typům buněk a všem druhům pohybu. Buňky v tom, podobně jako v případě 2D pohybu,  spoléhají na kontraktilní aktino – myosinová vlákna.

Pro mezenchymální pohyb ve 3D prostředí je charakteristickým znakem degradace ECM. Ve srovnání s plazením po pevném 2D povrchu nejsou buňky tak ploché a rozprostřené, mají spíše vřetenovitý tvar.  Také  lamelipodia jsou mnohem menší.  Buňky mají jasně rozlišitelný přední a zadní konec,  obsahují stresová vlákna, síly potřebné k pohybu generují podobným způsobem jako při 2D migraci. Během pohybu dochází k tvorbě fokálních adhezí obsahujících integriny a pohyb je v důsledku toho relativně pomalý, přibližně 0,1 – 1 µm/min.  Buňky také tvoří zvláštní výběžky nazývané u normálních buněk podosomy, u nádorových buněk invadopodia.  Tyto výběžky obsahují aktinová vlákna, další strukturní a signální proteiny a množství váčků. Nacházejí se v místech kontaktu buňky s ECM ve směru pohybu a jejich úkolem je vylučovat proteolytické enzymy, zejména matrixové metaloproteinázy (MMP).  Migrující buňky tak před sebou rozpouštějí ECM a vytvářejí si v ní průchod (Obr. 7).

Obr. 7  A) Invaze buňky do ECM pomocí invadopodií, B) migrace buňky v ECM. Červeně je znázorněno vylučování proteolytických enzymů, degradujících ECM. C) Mezenchymální způsob migrace. Buňka adheruje k vláknům ECM pomocí fokálních adhezí obsahujících integriny. Za sebou nechává tunel vzniklý proteolytickou degradací ECM.