Группа ученых из Сингапура и Франции под руководством профессора Лим Чви Тека, главного исследователя Института механобиологии Сингапура и факультета биомедицинской инженерии Национального университета Сингапура, описала новую «микротрубку». Платформа для изучения того, как трубчатые органы, такие как сердце и почки, формируются в условиях различных топографических ограничений, обычно встречающихся внутри тела. Это исследование было опубликовано в Интернете в Nature Communications 15 ноября 2017 года.
Число людей, страдающих от таких заболеваний, как атеросклероз, почечная и печеночная недостаточность, растет во всем мире. Хотя эти потенциально опасные для жизни заболевания поражают разные части тела, все они возникают из-за дефектов формирования эпителиальных трубочек - основного типа ткани, из которой состоят многие наши органы помимо сердца, почек или печени. Легкие, кровеносные сосуды, головной мозг и поджелудочная железа также подвержены дефектам формирования эпителиальных трубочек.
Как формируются эпителиальные трубочки
Эпителиальные трубки представляют собой цилиндрические структуры, состоящие из одного или нескольких слоев эпителиальных клеток. Выступая в качестве трубопроводов, проходящих через органы и ткани тела, эпителиальные трубки играют важную физиологическую роль, от доставки основных газов, жидкостей и макромолекул по всему телу до выведения метаболических отходов.
Эти структуры формируются на самых ранних стадиях эмбрионального развития, когда группы клеток располагаются вокруг центрального полого пространства, известного как просвет. Учитывая их важность для поддержания органов в здоровом и функциональном состоянии, исследователи давно пытаются понять, как развиваются эпителиальные трубки и почему могут возникать дефекты их развития.
Недавно появились доказательства того, что физическая среда внутри нашего тела оказывает большое влияние на формирование всех тканей, включая эпителиальные трубки, и это побудило исследователей искать новые подходы к изучению этих старых проблем.
Несколько групп, например, исследовали развитие трубок путем выращивания клеток в искусственных двумерных (2D) системах, что позволило им манипулировать физическими свойствами окружающей среды и оценить, как это повлияло на способность клеток формировать трубки. У этих систем, однако, был главный недостаток, заключающийся в том, что плоские условия 2D-пространства не могли точно имитировать динамическую трехмерную среду тела.
Трехмерная (3D) платформа «микротрубка» для изучения формирования просвета
Чтобы преодолеть этот недостаток, команда профессора Лима использовала передовую, но простую технику, называемую микрофабрикацией, для синтеза трехмерных трубчатых каналов микронного размера, которые они называют микротрубками. Эти микропробирки были помещены перед продвигающейся группой клеток. Такая установка позволяла клеткам заползать в полые пространства микротрубочек, распространяться по их изогнутым внутренним поверхностям и перестраиваться в структуры, содержащие просвет, которые напоминали биологические трубки.
Чтобы проверить, влияют ли физические свойства микротрубок на способность клеток формировать структуры внутри, содержащие просвет, исследователи ввели один переменный физический параметр. Они создали микротрубки разных размеров, диаметром от 25 до 250 микрон. Наблюдая за клетками под микроскопом, они заметили, что клетки, образующие трубки в более узких пределах, ведут себя заметно иначе, чем те, у которых больше места для движения.
Высоко ограниченное пространство внутри более узких трубок заставляло клетки двигаться медленно. Клетки часто, казалось, колебались между движениями назад и вперед, что еще больше замедляло их движение. Иногда в самых узких трубках передние клетки не могли оставаться вместе, и группы клеток отделялись от более крупной группы, образующей трубку. И наоборот, клетки внутри более широких трубок постепенно продвигались вперед и оставались группой, подобно тому, как они двигались бы на плоской поверхности.
Часто клеткам нашего тела приходится перемещаться в очень ограниченных пространствах, чтобы перестроиться в различные структуры, такие как трубки. Такие условия в сочетании с молекулярными и генетическими факторами обеспечивают правильное формирование трубок различных форм и размеров в различных органах.
Простая платформа микротрубок, описанная в этом исследовании, дает исследователям важную информацию о лежащей в основе механофизиологии, которая управляет расположением клеток в трубчатые органы во время развития. Что еще более важно, это также поможет теоретизировать, как экстремальные физические ограничения, вызванные определенными патологическими состояниями, могут привести к неправильному развитию ткани, что проявляется рядом серьезных или даже опасных для жизни заболеваний. Эти знания будут иметь жизненно важное значение для разработки новых и эффективных стратегий лечения, которые, в дополнение к нацеливанию на аберрантные молекулярные пути, также будут направлены на противодействие экстремальным физическим изменениям, возникающим при ряде таких заболеваний..