Κάνοντας τις σωστές κινήσεις Understand article

Μεταφρασμένο από τον Κωνσταντίνο Μιχαλοδημητράκη. Οι κινήσεις των κυττάρων παίζουν  σημαντικό ρόλο για την υγεία και τις ασθένειες, αλλά η ταχύτητά τους είναι…

Κύτταρο καρκίνου του
μαστού

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά ιστότοπου
δημόσιας κυριότητας,
προσφορά: Bruce Wetzel και
Harry Schaefer/National Cancer
Institute)

Μπορεί να μην είναι το πιο εντυπωσιακό άθλημα για τους θεατές, αλλά ο Παγκόσμιος Αγώνας Δρόμου Κυττάρων είναι για τους βιολόγους ισοδύναμο με τους Ολυμπιακούς. Στον φετινό αγώνα κέρδισε μία κυτταρική σειρά καρκινικών κυττάρων του μαστού η οποία κατάφερε ανώτατες ταχύτητες των 50 μm.h-1. Μπορεί να ακούγεται επιφανειακό, αλλά η κατανόηση της κινητικότητας των κυττάρων, ή της ικανότητάς τους να κινούνται, είναι σημαντική τόσο για την υγεία όσο και για τις ασθένειες. Η κυτταρική κινητικότητα είναι παράγοντας στον καρκίνο, στην απόκριση του ανοσοποιητικού συστήματος, στην επούλωση πληγών, στην εμβρυική ανάπτυξη καθώς και σε άλλες βιολογικές λειτουργίες. Όμως, οι επιστήμονες δεν καταλαβαίνουν ακόμα πλήρως την διαδικασία και δεν υπάρχουν φάρμακα που μπορούν να επιταχύνουν ή να επιβραδύνουν εξειδικευμένα την κυτταρική κίνηση.

Το Cylindrospermum είναι
ένα γένος νηματοειδών
κυανοβακτηρίων που
βρίσκονται σε χερσαία και
υδατικά περιβάλλοντα.

Εικόνα δημόσιας κυριότητας.
Πηγή: Wikimedia

Τα κύτταρα χρειάζονται να κινούνται για διάφορους λόγους – για να βρουν τροφή, να αναχαιτίσουν απειλές, να αποδράσουν από ένα ακατάλληλο περιβάλλον ή να εποικίσουν ένα καινούργιο. Μερικά κύτταρα, συμπεριλαμβάνοντας τα σπερματοζωάρια και πολλά βακτήρια, μπορούν να κολυμπήσουν πολύ γρήγορα χρησιμοποιώντας μαστίγια που μοιάζουν με ουρές.

Άλλα κύτταρα, όπως αυτά που έτρεξαν στον αγώνα δρόμου, κινούνται με ένα πολύ λιγότερο συνταρακτικό τρόπο, δημιουργώντας προεξοχές στην μεμβράνη (που ονομάζονται ψευδοπόδια), οι οποίες δρουν σαν δάκτυλα που τεντώνονται, γραπώνονται από μία επιφάνεια και μετά τραβούν το υπόλοιπο κύτταρο από πίσω τους (δείτε το σχήμα 1). Ένα κύτταρο που κινείται με αυτό τον τρόπο μπορεί να καλύψει κατά κανόνα απόσταση ίση με 1-2 φορές το μήκος του ανά ώρα. Για να το θέσουμε σε ένα πιο κατανοητό πλαίσιο, ένα σαλιγκάρι κινείται περίπου κατά 20 φορές το μήκος του σώματός του ανά ώρα· ο Γιουσέιν Μπολτ (Usain Bolt) στο σπριντ που έσπασε τα ρεκόρ κατά τους Ολυμπιακούς Αγώνες του 2012 έτρεξε με το ισοδύναμο 18 000 φορών του μήκους του σώματός του ανά ώρα.

Ο Usain Bolt στο Bolt Crystal
Grand Prix το 2009

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του Paul Foot

Η κίνηση αυτή μπορεί να μην είναι γρήγορη, αλλά είναι απίστευτα σημαντική. Για παράδειγμα, κατά την ανάπτυξη του εμβρύου, ενορχηστρωμένες με ακρίβεια κινήσεις κυττάρων επιτρέπουν τον σχηματισμό διακριτών στρωμάτων ιστού τα οποία τελικά θα μεγαλώσουν για να γίνουν ώριμα όργανα, συστήματα και μέρη του σώματος. Λαθεμένη κυτταρική μετανάστευση κατά την ανάπτυξη του εμβρύου μπορεί να οδηγήσει σε ένα εύρος από αναπηρίες και ελαττώματα εκ γενετής, συμπεριλαμβάνοντας την δισχιδή ράχη. Σε άλλα σημεία του ανθρώπινου σώματος, οι πληγές επουλώνονται καθώς εξειδικευμένα βλαστοκύτταρα μετακινούνται στην περιοχή της πληγής για να αναγεννήσουν αιμοφόρα αγγεία, να «πλέξουν» όλους τους ιστούς μαζί και να φτιάξουν καινούργιο δέρμα.

Ο Παγκόσμιος Αγώνας Δρόμου Κυττάρων του 2013

Κάντε κλικ στην εικόνα για
μεγέθυνση.  Σχήμα 1: Η
πορεία του πιο γρήγορου
κυττάρου από την MB 231 S1
σειρά καρκινικών κυττάρων
του μαστού, κατά τον
Παγκόσμιο Αγώνα Δρόμου
Κυττάρων του 2013. Ο
πυρήνας του κυττάρου έχει
βαφεί με μία μη τοξική μπλε
βαφή (βαφή Hoescht).

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του Daniel Irimia,
Massachusetts General Hospital

Ο «στίβος» είναι ένας πολύπλοκος λαβύρινθος καναλιών πλάτους μόλις 10 μm, τοποθετημένα σε μία ειδικά κατασκευασμένη πλάκα. Χρησιμοποιώντας μία τεχνική μικρο-κατασκευής που ονομάζεται μαλακή λιθογραφία, κατασκευάστηκαν τα τοιχώματα του λαβύρινθου με σιλικόνη, ένα αδρανές υλικό που μπορεί να μορφοποιηθεί σε ακριβή και πολύπλοκα σχήματα.

Εργαστήρια από όλο τον κόσμο προσκλήθηκαν να στείλουν ένα δείγμα από τα πιο γρήγορα κύτταρά τους για να συμμετάσχουν στον αγώνα. Τα κύτταρα βάφηκαν με μία μη τοξική μπλε βαφή για να είναι πιο εύκολο να τα δεις και τοποθετήθηκαν στην μία άκρη του λαβύρινθου.

Τα περισσότερα κύτταρα κινούνται μόνο σε απόκριση σε συγκεκριμένα ερεθίσματα – για παράδειγμα, προς θρεπτικά συστατικά – αλλά όλοι οι συναγωνιζόμενοι σε αυτόν τον αγώνα ήταν καρκινικά κύτταρα, τα οποία καθορίζουν από μόνα τους την κίνησή τους και συνήθως κινούνται πιο γρήγορα από μη καρκινικά κύτταρα.

Αιμοσφαίρια με λευκά
αιμοσφαίρια στο κέντρο

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά ιστότοπου
δημόσιας κυριότητας,
προσφορά: Bruce Wetzel και
Harry Schaefer/National Cancer
Institute

Οι πλάκες φωτογραφιζόταν κάθε 15 λεπτά επί 24 ώρες και ο νικητής ήταν η καλλιέργεια της οποίας τα περισσότερα κύτταρα έφτασαν στο άλλο άκρο του στίβου μήκους 600 μm. Μπορείτε να δείτε μερικά κύτταρα εν δράσει στην ιστοσελίδα του Παγκόσμιου Αγώνα Δρόμου Κυττάρων του 2013w1 . Σε σκηνές που θυμίζουν την κλασσική ιστορία «Ο λαγός και η χελώνα», η νικήτρια καλλιέργεια, μία σειρά καρκινικών κυττάρων του μαστού η οποία ονομάζεται MDA MB 231 S1, δεν ήταν η γρηγορότερη, αλλά κινούταν σταθερά σε όλη την διάρκεια του αγώνα. Μια κυτταρική σειρά από σάρκωμα (καρκίνος του συνδετικού ιστού), η MFH 137, άργησε να ξεκινήσει και τελικά ήταν η πιο γρήγορη, αλλά λιγότερα κύτταρα τερμάτισαν υποβιβάζοντάς την στην δεύτερη θέση.

Τώρα είναι ο τρίτος χρόνος του Παγκόσμιου Αγώνα Δρόμου Κυττάρων. Στην πιο πρόσφατη πρόκληση, οι διοργανωτές έβαλαν τα κύτταρα να αγωνιστούν μέσα σε λαβύρινθους με γωνίες και αδιέξοδα για να δοκιμάσουν την «νοημοσύνη» των κυττάρων καθώς και την ταχύτητα. Αυτή είναι μία πιο ακριβής αντιπροσώπευση του τί γίνεται in vivo, όπου τα κύτταρα που μεταναστεύουν πρέπει να περάσουν μέσα από στενά κυτταρικά περάσματα και να προσανατολιστούν στον τρισδιάστατο χώρο.


 

Στην αρρώστια και την υγεία

Κάντε κλικ στην εικόνα για
μεγέθυνση.

Σχήμα 2: Λεπτομέρειες της
κυτταρικής κινητικότητας. a)
Μία προεξοχή της
μεμβράνης που ονομάζεται
ψευδοπόδιο σχηματίζεται
στο προπορευόμενο άκρο
(δεξί) του κυττάρου· b) το
ψευδοπόδιο προσδένεται
στην επιφάνεια μέσω
μεμβρανικών πρωτεϊνών
που ονομάζονται
ιντεγκρίνες (κόκκινα
σημεία)· c) το κυρίως σώμα
του κυττάρου έλκεται
μπροστά· και d) το
συρόμενο άκρο
αποκολλείται από την
επιφάνεια και ο κύκλος
ξαναρχίζει.

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του Alexandre Saez
μέσω της Wikimedia Commons

Δεν αποτελεί έκπληξη το ότι θριάμβευσε στον αγώνα μία σειρά καρκινικών κυττάρων. Τα καρκινικά κύτταρα είναι ανάμεσα στα πιο γρήγορα κύτταρα θηλαστικών. Ο καρκίνος έχει την τάση να εξαπλώνεται από το αρχικό σημείο του όγκου και αρχίζει να μεγαλώνει σε άλλα σημεία του σώματος με μία διαδικασία η οποία ονομάζεται μετάσταση. Ενώ άλλα κινητικά κύτταρα κινούνται προς ή μακριά από ερεθίσματα (όπως τα θρεπτικά συστατικά ή το φως), τα καρκινικά κύτταρα κάνουν αυτοκαθοριζόμενες κινήσεις για να διαφύγουν από μικρούς χώρους και φαίνεται να μην ξέρουν πότε να σταματήσουν. Μπορεί να χρειαστεί τόσο λίγος χρόνος όσο ένας μήνας για να κινηθεί ένα καρκινικό κύτταρο 10 cm από έναν αρχικό όγκο στο μαστό για να εγκατασταθεί σε ένα κοντινό λεμφαδένα. Ο καρκίνος που έχει απλωθεί σε αυτό τον βαθμό είναι πολύ πιο δύσκολο να αντιμετωπιστεί και συχνά είναι θανατηφόρος, οπότε κατανοώντας και τελικά βρίσκοντας τρόπους να σταματήσουμε την μετακίνηση των καρκινικών κυττάρων μπορεί να σωθούν ζωές.

Μπορεί να υπάρχουν άλλες περιπτώσεις όπου η παρότρυνση των κυττάρων να κινηθούν γρηγορότερα θα ήταν επωφελής. Τα λευκά αιμοσφαίρια είναι βασικό μέρος της απόκρισης του ανοσοποιητικού μας συστήματος. Κινούνται γρήγορα στα σημεία μόλυνσης για να εγκολπώσουν και να καταστρέψουν τα μικρόβια, επιλέγοντας ενεργά την συντομότερη οδό για να φτάσουν στον στόχο τους. Ασθενείς με σοβαρά εγκαύματα είναι πιο επιρρεπείς σε μολύνσεις, γιατί φαίνεται ότι τα λευκά τους αιμοσφαίρια χάνουν την εσωτερική τους πυξίδα και δεν μπορούν να προσανατολιστούν, καθυστερώντας την πορεία τους προς το παθογόνο. Επομένως, φάρμακα που μπορούν να προάγουν την ταχύτητα ή την αποτελεσματικότητα στόχευσης των λευκών αιμοσφαιρίων μπορεί να είναι πολύ χρήσιμα τόσο για την πρόληψη όσο και την θεραπεία μολύνσεων.

Όμως, η προώθηση της απόκρισης των λευκών αιμοσφαιρίων δεν είναι πάντα επιθυμητή. Σε χρόνιες φλεγμονώδεις παθήσεις όπως η ρευματοειδής αρθρίτιδα και το άσθμα, τα λευκά αιμοσφαίρια παρερμηνεύουν τα χημικά σήματα και μεταναστεύουν στον υγιή ιστό, προκαλώντας πόνο, φλεγμονή και ζημία. Σε αυτές τις περιπτώσεις θα ήταν επιθυμητό να βρεθεί ένας τρόπος καταστολής αυτής της κυτταρικής μετανάστευσης.

Το σαλιγκάρι με λευκό
χείλος κελύφους (Cepaea
hortensis)

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του Mad Max,
Kirkland, Washington

Παραμένουν ακόμα πολλά κενά στην κατανόηση του πώς και γιατί κινούνται τα κύτταρα. Ο Daniel και οι άλλοι διοργανωτές ελπίζουν ότι ο Παγκόσμιος Αγώνας Δρόμου Κυττάρων θα διαδώσει την σημασία της κυτταρικής κινητικότητας και θα ενθαρρύνει μεγαλύτερη συνεργασία μεταξύ βιολόγων και μηχανικών. Επίσης ελπίζουν ότι οι μέθοδοί τους μπορεί να οδηγήσουν σε τυποποιημένους τρόπους μέτρησης της κυτταρικής κινητικότητας, διευκολύνοντας την μελέτη του αντίκτυπου φαρμάκων ή άλλων τρόπων ελέγχου αυτής της κίνησης. 

Μετά από οποιονδήποτε αγώνα, οι συναγωνιζόμενοι αξιολογούν την επίδοσή τους και ξεκινούν τον σχεδιασμό για την επόμενη πρόκληση. Οι διοργανωτές έχουν ήδη καθορίσει την ημερομηνία για τον επόμενο αγώνα, τον Παγκόσμιο Αγώνα Δρόμου Κυττάρων του 2014: 14 Νοεμβρίου 2014. Στον επόμενο αγώνα, λευκά αιμοσφαίρια θα είναι επίσης δεκτά να αγωνιστούν μαζί με καρκινικά κύτταρα σε μία επική μάχη του καλού εναντίον του κακού. Επίσης κύτταρα της γρήγορα κινούμενης «γλοιώδους μούχλας» Dictyostelium discoideum θα έχουν τον δικό τους αγώνα στις 21 Μαρτίου του 2014. Μπορείτε να εγγραφείτε για ενημερώσεις στην ιστοσελίδα του Παγκόσμιου Αγώνα Δρόμου Κυττάρωνw1 (World Cell Race).

Εάν θέλετε να ερευνήσετε στην σχολική σας τάξη την κυτταρική μετανάστευση, οι «γλοιώδεις μούχλες», ειδικά του γένους Dictyostelium, ή τα λευκά αιμοσφαίρια αποτελούν μία καλή αρχή. Τα κύτταρα Dictyostelium μεγαλώνουν γρήγορα και διατηρούνται εύκολα σε άγαρ με θρεπτικά συστατικά σε θερμοκρασία δωματίου. Τα λευκά αιμοσφαίρια φαίνονται εύκολα με ένα τυπικό σχολικό μικροσκόπιο και μπορεί να αγοραστεί αίμα αλόγου από πολλούς προμηθευτές εκπαιδευτικών υλικών.

Δοκιμάστε να τοποθετήσετε ένα δείγμα από Dictyostelium ή αίμα αλόγου κάτω από το μικροσκόπιο και να το φωτογραφίζετε σε τακτικά χρονικά διαστήματα. Μετά συγκρίνετε τις εικόνες για να δείτε εάν μπορείτε να εντοπίσετε την κίνηση των κυττάρων. Τοποθετώντας μία ήπια πηγή θερμότητας,  όπως μία λάμπα πυράκτωσης, στην μία άκρη της αντικειμενοφόρου πλάκας μπορεί να βοηθήσει γιατί καί τα δύο είδη κυττάρων αποκρίνονται στην θερμοκρασία (θερμόταξη) και το Dictyostelium αποκρίνεται στο φως (φωτόταξη).              


Web References

Resources

Author(s)

Ο Daniel Irimia είναι επίκουρος καθηγητής στο Γενικό Νοσοκομείο της Μασαχουσέτης (Massachusetts General Hospital) και την Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ (Harvard Medical School) στις ΗΠΑ, μελετώντας πώς η ικανότητα των κυττάρων να μεταναστεύουν συμβάλλει στην υγεία και στις ασθένειες. Τα ενδιαφέροντά του κυμαίνονται από τον ρόλο της μετανάστευσης λευκών αιμοσφαιρίων στην προστασία των ιστών από μικρόβια μέχρι τον ρόλο της μετανάστευσης καρκινικών κυττάρων κατά την εισβολή και μετάσταση του καρκίνου. Για τις μελέτες αυτές, σχεδιάζει εύρωστα εργαλεία μικρο-κλίμακας για να μετράει την μετανάστευση κυττάρων από σχετικά κλινικά δείγματα με υψηλή ακρίβεια. Η ομάδα που διοργανώνει τον Παγκόσμιο Αγώνα Δρόμου Κυττάρων συμπεριλαμβάνει τον Matthieu Piel από το Ινστιτούτο Κιουρί (Institut Curie) και το CNRS στην Γαλλία και τους Elisabeth Wong και Bashar Hamza από το Γενικό Νοσοκομείο της Μασσαχουσέτης.

Η Sarah McLusky είναι μία ανεξάρτητη επιστημονική συγγραφέας, συντάκτρια και εκπαιδευτικός σύμβουλος. Έχει Διδακτορικό στην παθολογία φυτών και διδάσκει βιοχημεία στο Newcastle College, στο Ην. Βασίλειο.


Review

Αυτό το ευχάριστο άρθρο πραγματεύεται ένα σοβαρό θέμα των ζωικών κυττάρων: την κινητικότητα. Παρόλο ότι είναι ευρέως γνωστό ότι τα ζωικά κύτταρα μπορούν να κινηθούν, η βαθιά κατανόηση της κυτταρικής κινητικότητας «είναι πολύ σημαντική τόσο για την υγεία όσο και τις ασθένειες», όπως διατείνονται οι συγγραφείς. Εδώ έχουμε μία πολύτιμη πηγή για να μάθουμε περισσότερα για την κινητικότητα με μία ευχάριστη και ενθουσιαστική προσέγγιση. Η ιδέα ενός Παγκόσμιου Αγώνα Δρόμου Κυττάρων μπορεί στην αρχή να μας ξενίζει, αλλά αντιλαμβανόμαστε αμέσως την σημασία και σπουδαιότητά της. Το θέμα του άρθρου σχετίζεται με άλλα σημαντικά βιολογικά θέματα όπως η ανοσολογία, η εμβρυική ανάπτυξη και ο καρκίνος.

Επίσης το άρθρο μπορεί να φανεί χρήσιμο για να ξεκινήσουν συζητήσεις για την καθημερινή δουλειά των επιστημόνων, το να μοιράζονται οι γνώσεις μεταξύ των εργαστηρίων και τις νέες τεχνολογίες που επιτρέπουν την μέτρηση και σύγκριση των ταχυτήτων διαφορετικών κυτταρικών σειρών.

Κατάλληλες ερωτήσεις κατανόησης μπορεί να περιλαμβάνουν:

  1. Ποια είναι η σημασία της μελέτης της κυτταρικής κινητικότητας;

  2. Ποια είναι η σχέση μεταξύ της κυτταρικής κινητικότητας και της κυτταρικής μετανάστευσης;

  3. Ποιος είναι ο σκοπός του Παγκόσμιου Αγώνα Δρόμου Κυττάρων;

  4. Γιατί το σχήμα του στίβου αλλάζει από χρόνο σε χρόνο στον Παγκόσμιο Αγώνα Δρόμου Κυττάρων;

  5. Δώστε μερικά παραδείγματα κυττάρων όπου θα συνέφερε στους ερευνητές να σταματήσουν ή να προάγουν την κινητικότητα.

  6. Μερικά κύτταρα κάνουν αυτοκαθοριζόμενες κινήσεις και δεν φαίνεται να χρειάζονται κάποιο ερέθισμα για να κινηθούν. Τι είδους κύτταρα είναι; Γιατί θεωρείται ότι αποτελούν πρόβλημα;

  7. Χρησιμοποιώντας τον στίβο, πώς θα μπορούσατε να αποδείξετε την επίδραση ενός φαρμάκου στην κυτταρική κινητικότητα;


Ana Molina, IES Gil y Carrasco, Ισπανία




License

CC-BY-NC-ND