Формирование тканей и органов - одна из самых сложных и важных задач, которую клетки должны решить в процессе эмбриогенеза. В ходе выполнения этой коллективной задачи клетки общаются между собой с помощью различных методов коммуникации, включая биохимические сигналы, похожие на обоняние клетки, и механические сигналы - чувство осязания клетки.

Исследователи различных дисциплин были увлечены клеточной коммуникацией на протяжении десятилетий. Профессор Отгер Кампас вместе со своими коллегами из кластера передового опыта "Физика жизни" (PoL) Технического университета Дрездена и Калифорнийского университета Санта-Барбары (UCSB) теперь смогли разгадать еще одну загадку, связанную с вопросом о том, как клетки используют свое чувство осязания для принятия жизненно важных решений во время эмбриогенеза. Их работа опубликована в журнале Nature Materials.

Проверка окружения

В своей работе исследователи сообщают о том, как клетки живого эмбриона механически проверяют свое окружение и какие механические параметры и структуры они воспринимают. "Мы многое знаем о том, как клетки чувствуют и реагируют на механические сигналы в блюде. Однако в эмбрионе их микросреда совершенно иная, и мы не знали, какие механические сигналы они воспринимают в живой ткани", - говорит Кампас, заведующий кафедрой динамики тканей и управляющий директор PoL.

Механические сигналы помогают клеткам принимать важные решения, например, делиться или нет, двигаться или даже дифференцироваться - процесс дифференциации, в ходе которого стволовые клетки превращаются в более специализированные клетки, способные выполнять определенные функции.

Предыдущие исследования показали, что стволовые клетки, помещенные на синтетическую подложку, в значительной степени полагаются на механические сигналы для принятия решений: Клетки на поверхностях с жесткостью, подобной костям, стали остеобластами (костными клетками), а клетки на поверхностях с жесткостью, подобной тканям мозга, стали нейронами. Полученные результаты значительно продвинули область тканевой инженерии, поскольку исследователи использовали эти механические сигналы для создания синтетических строительных лесов, чтобы заставить стволовые клетки развиваться в желаемые результаты. Сегодня эти подмостки используются в различных биомедицинских приложениях.

От тарелки к живому эмбриону

Однако блюдо не является естественной средой обитания клетки. При построении организма клетки контактируют не с синтетическими подложками в плоской посуде, а со сложными живыми материалами в трех измерениях.

За последнее десятилетие исследовательская группа профессора Кампаса обнаружила механические сигналы, которые направляют клетки в сложных тканях эмбриона. Используя уникальную технику, разработанную в его лаборатории, исследователи смогли прощупать живую ткань так же, как это делают клетки, и выяснить, какие механические структуры ощущают клетки.

"Сначала мы изучили, как клетки механически проверяют свое микроокружение в процессе дифференциации и построения оси тела позвоночного", - говорит Кампас. "Клетки использовали различные выступы, чтобы толкать и тянуть свою среду. Поэтому мы определили, насколько быстро и сильно они толкаются".

Используя каплю ферромагнитного масла, которую они поместили между развивающимися клетками и подвергли воздействию контролируемого магнитного поля, они смогли имитировать эти крошечные силы и измерить механическую реакцию клеток на окружающую среду.

Определение архитектуры ткани и изменение судьбы клеток

Критически важным для действий этих эмбриональных клеток является их коллективное физическое состояние, которое Кампас и его исследовательская группа описали в предыдущей работе как активную пену, похожую по консистенции на мыльный или пивной пенопласт, с клетками, сцепленными вместе благодаря клеточной адгезии и тянущими друг друга.

Как выяснили Кампас и его коллеги, клетки механически ощущают коллективное состояние этой "живой пены" - насколько она жесткая и насколько замкнута. "И в тот момент, когда клетки дифференцируются и решают изменить свою судьбу, происходит изменение материальных свойств ткани, которую они воспринимают". По его словам, в тот момент, когда клетки внутри ткани решают свою судьбу, ткань падает в жесткости.

Дальнейшие действия

Что еще не доказано в данном исследовании, так это сложный вопрос о том, является ли и если да, то каким образом изменение жесткости в эмбриональной среде приводит к изменению состояния клеток.

"Существует взаимодействие между механическими характеристиками структур, которые клетки коллективно строят, таких как ткани или органы, и решениями, которые они принимают индивидуально, поскольку они зависят от механических сигналов, которые клетки ощущают в ткани. Это взаимодействие лежит в основе того, как природа создает организмы", - говорит Кампас.

Результаты этого исследования могут также иметь важное значение для тканевой инженерии. Потенциальные материалы, имитирующие пеноподобные характеристики эмбриональной ткани, в отличие от широко используемых синтетических полимерных или гелевых скаффолдов, могут позволить исследователям создавать более прочные и сложные синтетические ткани, органы и имплантаты в лаборатории, с соответствующей геометрией и механическими характеристиками для желаемых функций.