Cellules rénales canines Madin-Darby - Madin-Darby Canine Kidney cells

Colonies typiques formées par des cellules Madin-Darby Canine Kidney lorsqu'elles sont cultivées dans un format 2D typique sur du plastique. Les cellules se développent en colonies serrées grâce à leurs jonctions cellule-cellule, une caractéristique des cellules d'origine épithéliale.

Les cellules Madin-Darby Canine Kidney ( MDCK ) sont une lignée cellulaire modèle de mammifère utilisée dans la recherche biomédicale. Les cellules MDCK sont utilisées pour une grande variété d'études de biologie cellulaire, notamment la polarité cellulaire , les adhérences cellule-cellule (appelées jonctions adhérentes ), la motilité cellulaire collective, ainsi que les réponses aux facteurs de croissance. C'est l'un des rares modèles de culture cellulaire qui convient à la culture cellulaire 3D et aux réarrangements multicellulaires connus sous le nom de morphogenèse ramifiée.

Histoire

Après l'isolement initial en 1958 de cellules épithéliales du tubule rénal d'un chien Cocker Spaniel adulte par Stewart H. Madin et Norman B. Darby, Jr., la lignée cellulaire portant leur nom a été utilisée principalement comme modèle pour l'infection virale des mammifères. cellules. En effet, ils ont choisi d'isoler les tubules rénaux précisément dans cet objectif, car ils avaient déjà réussi à infecter par un virus des cellules dérivées de tubules rénaux d'autres mammifères. Ainsi, l'objectif initial de l'isolement et de la culture des cellules de ce tissu n'était pas de générer un nouveau système modèle pour la biologie des cellules épithéliales. Ce n'est qu'en 1970 que le laboratoire de Zbynek Brada a publié des travaux décrivant les cellules MDCK comme une lignée cellulaire représentative portant les caractéristiques des cellules épithéliales des tubules rénaux. Ils ont basé cette conclusion sur les activités de transport de fluide des monocouches formées de cellules MDCK, la présence de microvillosités sur leur surface apicale (supérieure) et leur capacité à s'auto-organiser, lorsqu'elles sont cultivées en 3D, en sphères creuses. Dans leur rapport, les auteurs ont émis l'hypothèse que "l'expression histotypique" par laquelle les cellules MDCK formaient des structures rappelant leur tissu d'origine pourrait être appliquée de manière fructueuse à l'étude d'autres tissus. Les décennies suivantes leur ont largement donné raison, bien que le répertoire d'étude de l'organisation et du comportement des cellules dans les tissus se soit considérablement élargi.

Au cours des années 1970, la lignée cellulaire MDCK a trouvé une nouvelle utilisation comme modèle pour le tissu épithélial des mammifères. En 1982, Mina Bissell et ses collègues ont montré que les monocouches de MDCK répondaient à l'ajout d'une couche de collagène (appelée « culture sandwich ») en proliférant et en formant des tubules creux. Cela a laissé entendre pour la première fois que la lignée cellulaire répondrait aux environnements 3D en s'auto-organisant dans la structure 3D appropriée rappelant les tubules rénaux. Au cours des années suivantes, il a été démontré que la culture de cellules MDCK entièrement intégrées dans le collagène produisait des sphères creuses, ou acini. Il s'agissait de simples monocouches épithéliales avec un intérieur et un extérieur définis. Cependant, le fait que les cellules MDCK n'aient pas formé de tubules dans ces conditions est resté inexpliqué jusqu'à plus tard.

Au cours de la même période dans les années 1980, les biologistes étudiant la motilité cellulaire avaient découvert un comportement intéressant et reproductible des cellules en culture : la réponse de diffusion. Les cellules épithéliales en culture se développent normalement en grappes serrées. Cependant, ils pourraient être amenés à rompre les contacts cellule-cellule et à devenir allongés et mobiles après exposition à un "facteur de diffusion" sécrété par des cellules mésenchymateuses telles que les fibroblastes Swiss 3T3 . Cela a été mieux décrit par le groupe de Julia Gray en 1987. Au cours de la même période au milieu des années 1980, un anticorps monoclonal a été signalé par le groupe de Walter Birchmeier pour perturber les contacts cellule-cellule et modifier la polarité avant-arrière des cellules en culture. La cible de cet anticorps a ensuite été identifiée comme un composant des jonctions cellule-cellule, la E-cadhérine . Ces observations disparates ont finalement fusionné en un paradigme résilient pour la motilité et la polarité cellulaires. Les cellules épithéliales sont généralement immobiles, mais peuvent devenir mobiles en inhibant les jonctions cellule-cellule ou en ajoutant des facteurs de croissance qui induisent la diffusion. Les deux sont réversibles et impliquent tous deux la rupture des jonctions cellule-cellule.

En 1991, la réponse de MDCK acini en culture 3D au facteur de dispersion a été rapportée pour la première fois par Lelio Orci et ses collègues. Ils ont cultivé des acini de cellules MDCK dans des gels de collagène avec ou sans fibroblastes Swiss 3T3, dans lesquels les milieux pouvaient échanger mais les types cellulaires n'étaient pas en contact direct. Cette stratégie de culture cellulaire, appelée coculture, a incité les acini MDCK à subir une morphogenèse ramifiée, dans laquelle les cellules se réorganisent en un réseau de tubules interconnectés qui ressemble au développement de nombreux tissus. La même année, le « facteur de diffusion » s'est avéré être une protéine précédemment décrite sécrétée par les fibroblastes, le facteur de croissance des hépatocytes (HGF). Ce travail a résolu un mystère exceptionnel de la culture MDCK, car le tissu à partir duquel ces cellules sont dérivées est tubulaire, alors qu'elles ne s'étaient auparavant développées qu'en acini sphériques en culture 3D. Au-delà de ce paradoxe immédiat, un lien crucial s'est forgé entre l'induction aiguë de la motilité cellulaire en culture 2D par le « facteur de diffusion », et son impact sur l'organisation spatiale adoptée par les tissus en 3D. Cette connexion reste importante en tant que lien entre des mécanismes précisément définis de la motilité cellulaire en 2D et des réarrangements complexes en 3D dont la régulation n'est pas encore complètement comprise.

Morphogenèse ramifiée

Morphogenèse ramifiée sur 2 jours par des cellules rénales canines Madin-Darby en réponse au facteur de croissance des hépatocytes (HGF). Les images ont été acquises par microscopie confocale à fluorescence, montrant la protéine structurale actine, qui met en évidence les frontières cellulaires. À gauche : des sphères creuses multicellulaires de cellules, appelées acini, ont été cultivées en culture 3D. A droite : après 2 jours de traitement avec le HGF, les cellules ont formé de multiples ramifications.

Au cours des 20 dernières années, la compréhension de la biologie cellulaire MDCK en culture 3D a été avancée notamment par le laboratoire de Keith Mostov. Ce groupe s'est concentré sur la régulation de la polarité cellulaire et ses effets en aval sur la morphogenèse des ramifications. En effet, l'ensemble des travaux générés par le groupe Mostov a synthétisé avec succès des décennies de connaissances sur la ségrégation spatiale des fonctions cellulaires et leurs marqueurs moléculaires, en un modèle remarquable pour la génération et l'homéostasie de la polarité cellulaire dans les tissus. En 2003, le groupe de Mostov a rapporté le premier compte rendu complet reliant la morphogenèse ramifiée aux caractéristiques de la polarité apicale-basale. Ce travail a établi que les cellules MDCK ne perdent pas les contacts avec leurs voisines au début de la morphogenèse ramifiée, mais que les marqueurs canoniques de la polarité cellulaire sont temporairement perdus. L'un des résultats de ce changement de polarité est la réorientation de la division cellulaire le long d'une nouvelle branche de cellules en croissance, afin de positionner correctement les cellules filles pour continuer l'extension de la branche. La motilité cellulaire par laquelle les cellules MDCK produisent et allongent des branches était liée à ces changements de polarité.

Ces résultats ont été intégrés dans un modèle de morphogenèse de branchement axé sur le réarrangement transitoire de la signalisation de polarité cellulaire. Cela permet aux cellules normalement immobiles de générer des protubérances et de migrer collectivement, suivies d'une redifférenciation et de la formation de tubules creux. À l'appui de ce modèle, Mostov et ses collègues ont identifié les effets du HGF sur les acini MDCK comme provoquant une transition partielle des phénotypes cellulaires épithéliaux à mésenchymateux. Cet argument rassemble un programme de signalisation établi appelé transition épithéliale à mésenchymateuse (EMT), par laquelle les cellules épithéliales sessiles deviennent mobiles et rompent les contacts cellule-cellule. L'EMT a été proposé comme la cascade de signalisation transcriptionnelle qui entraîne la diffusion cellulaire, bien qu'auparavant les chercheurs n'aient pas confondu les deux. Étant donné la distinction selon laquelle, pour les acini en 3D, les jonctions cellule-cellule ne se rompent pas, il est difficile de savoir comment relier précisément le concept EMT à la morphogenèse ramifiée.

Le groupe Mostov a également étudié les moyens par lesquels le HGF active la motilité cellulaire au cours de la morphogenèse des ramifications MDCK. Leurs études ont montré que la morphogenèse ramifiée nécessite le facteur de transcription Erk, en aval de la cascade de la protéine kinase activée par le mitogène , une voie de transduction du signal bien définie impliquée dans la motilité et la prolifération cellulaires. La machinerie précise de la motilité cellulaire responsable de la morphogenèse de la ramification MDCK n'a pas été spécifiée par le groupe Mostov, au-delà de l'exigence d'une protéine de signalisation impliquée dans la régulation de la petite GTPase Rho . De plus, le laboratoire Gardel a montré que la motilité invasive des cellules MDCK dans les acini nécessite Dia1, qui régule les adhérences cellulaires aux fibrilles de collagène individuelles.

Pendant ce temps, d'autres groupes ont démontré la nécessité de protéines d'adhésion cellule-ECM ou de leurs régulateurs dans la morphogenèse des ramifications MDCK. À l'aide d'un protocole modifié pour la culture cellulaire MDCK et la morphogenèse de branchement, Gierke et Wittman ont établi l'exigence d'une dynamique des microtubules dans la régulation des premières étapes de la ramification. Ils ont observé un couplage adhésif cellulaire déficient à la matrice de collagène lorsque les microtubules étaient dérégulés. Ce phénotype indiquait l'importance d'acheminer les protéines appropriées d'adhésion cellulaire et de protrusion vers le front cellulaire lorsque la morphogenèse ramifiée était initiée. Combiné aux observations du groupe de Mostov, ce travail a confirmé que la polarité cellulaire est indispensable à l'homéostasie acineuse de MDCK ainsi qu'aux comportements migratoires lors de la morphogenèse ramifiée.

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