Хотя внешне человеческое тело симметрично по оси "лево-право", в форме и расположении большинства внутренних органов, включая сердце, легкие, печень, желудок и мозг, наблюдаются значительные лево-правые асимметрии.

Известно, что лево-правая асимметрия закладывается во время раннего эмбриогенеза небольшим скоплением клеток, называемым лево-правым организатором. Внутри этого органайзера подвижные реснички, волосовидные структуры на поверхности клеток, быстро бьются, создавая направленный влево поток внеклеточной жидкости, который является первым внешним признаком лево-правого различия.

Было показано, что этот ранний поток имеет решающее значение для различения правого и левого; однако, как этот поток воспринимается и преобразуется в лево-правую асимметрию, до сих пор было неизвестно.

Новое исследование, проведенное под руководством ученых Массачусетской больницы общего профиля (MGH), показало, что реснички в органайзере функционируют как создатели потока - они также действуют как датчики биомеханических сил, оказываемых потоком для формирования лево-правого плана тела развивающегося эмбриона.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Science.

"Почти 25 лет работы многочисленных групп [показали], что реснички и поток в организаторе абсолютно необходимы для формирования лево-правой асимметрии тела", - говорит Шиаулоу Юань, доктор философии, исследователь Центра сердечно-сосудистых исследований Массачусетской больницы общего профиля, доцент медицины Гарвардской медицинской школы и старший автор исследования. "Но у нас не было подходящих инструментов или методов, чтобы окончательно изучить, как это все работает".

Чтобы решить эту проблему, исследователи использовали зебрафиш в качестве модели лево-правого развития и применили новый оптический инструментарий, состоящий из специально разработанной микроскопии и анализа машинного обучения.

Их подход был уникальным, поскольку они разработали и применили оптический пинцет - биофизический инструмент, который использует свет для удержания и перемещения микроскопических объектов, подобно тяговому лучу, что впервые позволило точно передать механическую силу на реснички неповрежденного живого животного.

Используя эти инструменты, исследователи обнаружили, что реснички являются механосенсорами на поверхности клеток, которые важны для лево-правой асимметрии развивающегося тела и таких органов, как сердце.

Используя оптический пинцет для приложения механической силы к ресничкам в лево-правом организаторе зебрафиш, они показали, что определенная часть ресничек организатора чувствует и переводит силы потока в кальциевые сигналы, которые управляют развитием лево-правой асимметрии у зебрафиш.

Дефекты лево-правой асимметрии связаны с многочисленными заболеваниями человека, включая синдром гетеротаксии, первичную цилиарную дискинезию и врожденные пороки сердца.

"Знания, полученные в ходе этого исследования, не только способствуют нашему пониманию фундаментальных клеточных процессов, которые управляют развитием человеческого тела, но и могут открыть новые пути для разработки новых методов диагностики этих заболеваний", - говорит Юань. "Кроме того, эта работа может проложить путь для целевой терапии, направленной на сигналы ресничек и механосенсинг для улучшения результатов".

Юань и его коллеги продолжают исследовать молекулярные механизмы, которые управляют силовыми ощущениями ресничек. Они также продолжают разрабатывать новые стратегии визуализации и манипулирования сигналом ресничек, с долгосрочной целью разработки новых инструментов для лечения заболеваний, связанных с ресничками.

"Эти результаты и инструменты, которые сделали их возможными, открыли новое окно в процесс развития эмбриона, а также открыли ящик Пандоры", - говорит Скотт Э. Фрейзер, профессор биологии и биоинженерии Университета Южной Калифорнии и соавтор данного исследования. "Оно напоминает нам о том, что нам еще многое предстоит узнать о том, как сигнализация ресничек и механобиология влияют на развитие и болезни".

Среди других авторов MGH и Гарвардской медицинской школы - Лидия Дженуне, Мохаммед Махамдех и Кристофер Нгуен. Среди других авторов - Тай В. Труонг из Университета Южной Калифорнии, Мартина Брюкнер и Джонатон Ховард из Йельского университета.