По мере того, как клетки делятся, образуя ткани и органы в многоклеточных организмах, они перемещаются туда, где им и место, информируясь о ряде сигналов, которые ученым еще предстоит наблюдать или полностью понять.
Эти коллективные движения традиционно изучались в контексте биохимического распознавания между типами клеток. Например, белок кадгерин (обнаруженный и названный в честь зависимых от кальция адгезий) является одним из элементов, ответственных за способность клеток распознавать друг друга, при этом различные типы кадгерина встречаются в разных местах организма. Эти рецепторы кадгерина позволяют одинаковым клеткам объединяться друг с другом для создания определенных типов тканей; например, Е-кадгерин назван так потому, что он содержится в эпителиальных клетках.
«Кадгерины обеспечивают начальный сигнал для «рукопожатия» между клетками, но они не являются основными хранителями связи», - говорит профессор Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и инженер-механик Бет Пруитт, изучающая механобиологию и работающая над получением лучшее понимание того, как клетки объединяются в ткани и сохраняют свою целостность при нормальных нагрузках, которые они испытывают.
Понимание химико-механических механизмов, которые управляют таким биологическим действием, поможет ученым разработать методы лечения состояний и заболеваний, возникающих, когда что-то идет не так в процессе распознавания. Это включает в себя метастазирование рака, процесс, при котором раковые клетки теряют предпочтение оставаться с «похожими» клетками и мигрируют из опухоли; или дефектное развитие или заживление ран, при котором подобные клетки не могут связываться для создания или восстановления здоровых тканей.
По словам Прюитта, это исследование также может помочь в разработке систем для создания выращенных в лаборатории органов. Наличие правильного каркаса в отношении механических свойств клеток in vivo имеет решающее значение для выращивания здоровых, функциональных клеток.
Поскольку клетки скользят друг мимо друга, мигрируя к месту назначения во время развития или заживления ран, они создают силы сдвига. Как именно эти локальные силы сдвига в плоскости распространяются по ткани, что важно для коллективного поведения тканей, неясно, отчасти потому, что трудно применить прямое локальное смещение внутри ткани.
В статье, опубликованной в журнале eLife, Прюитт и ее соавторы из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и Стэнфордского университета описывают новое устройство, которое позволяет им вводить возмущения в систему, наблюдать за реакцией клеток и измерять общую силу. обеспечивая новое понимание роли кадгерина в клеточной динамике. Устройство, изготовленное из микрофибры, протаскивало клетки мимо друг друга вдоль плоскости сдвига (как разлом при землетрясении), одновременно измеряя общую силу с помощью изготовленной из микрофибры пружины, действующей в качестве встроенного датчика силы во время эксперимента..
Первый вопрос исследователей заключался в том, будет ли сила сдвига заставлять клетки течь мимо друг друга, как это происходит во время развития или коллективной миграции. Этого не произошло, но клетки деформировались, что указывает на то, что сдвиг действовал скорее как «растяжение», чем разрыв. Следующий вопрос заключался в том, что будет после этой «травмы». Ответ: срезанные клетки сигнализировали всем остальным клеткам, что что-то произошло и им всем нужно отреагировать и приспособиться к этому.
«Мы обнаружили, что эта передача зависит от наличия нормальных межклеточных взаимодействий посредством связывания E-кадгерина и сокращения актомиозина [последнее имеет важное значение для физических процессов всех эукариотических клеток]», - сказал Прюитт.
Далее она объяснила, что клетки в несрезанных монослоях уже передают друг другу и имеют естественные колебания, которые наблюдались другими, но ни механизм, ни причина таких колебаний неизвестны. Паттерн, наблюдаемый в срезанных клеточных монослоях, был усиленным вариантом естественных колебаний миграции. При таком коллективном поведении клетки «танцевали» взад и вперед с волнообразными движениями к «повреждению», затем от него, затем к нему, затем прочь, пока клетки не восстановили свою первоначальную форму до деформации.
«Благодаря наблюдению за этими колебаниями и измерению общей силы, которую обеспечивает встроенная пружина, мы смогли выдвинуть механическую модель, которая включает в себя механический элемент хранения и передачи сигналов для имитации монослоев эпителиальных клеток», объяснил Прюитт. «Этот элемент, наряду с хорошо известным вязкоупругим свойством клеток, может объяснить коллективное поведение, которое мы наблюдали. Клетки могут использовать это поведение после дисбаланса сил, вызванного сдвигом, для поддержания гомеостаза напряжения в развивающейся ткани».
Исследователи говорят, что их открытия и, что важно, новые устройства, которые они создали для изучения механобиологии, позволят ученым задать новые вопросы о том, как другие типы клеток воспринимают и передают силу, особенно силу сдвига, в многоклеточных тканях.