Учёные раскрыли, как ткани и органы формируются в эмбриогенезе

Исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре под руководством профессора Отгера Кампаса выяснили фундаментальный физический механизм, который клетки используют для придания эмбриональным тканям их функциональных трёхмерных форм.

Ключевое открытие: переход «жидкость–твёрдое тело»

• Клеточные коллективы в эмбрионе позвоночных контролируемо переключаются из текучего (жидкого) состояния в твёрдое, чтобы построить тело. Этот процесс аналогичен формованию стекла или 3D-печати.
• Физически этот переход известен как «джамминг» (jamming) — явление, при котором частицы в неупорядоченных системах (пенах, эмульсиях, стёклах) сближаются или охлаждаются, теряя текучесть.
• В определённых областях эмбриона клетки более активны и «расплавляют» ткань в текучее состояние для перестройки. После завершения формирования клетки «остывают», фиксируя форму ткани.

Экспериментальная методика

Исследование стало возможным благодаря разработанным ранее методам:

• Использовались эмбрионы данио-рерио (zebrafish) из-за их оптической прозрачности и сходства развития с человеком.
• Между клетками растущей ткани помещали крошечные капли специальной ферромагнитной жидкости.
• Деформация капель под действием сил клеток позволяла визуализировать межклеточные взаимодействия.
• Намагничивая капли, учёные могли оказывать микроскопические воздействия на окружающие клетки, чтобы изучить реакцию ткани.

Результаты и исторический контекст

• Клеточные коллективы, формирующие ткань, ведут себя физически как пена (например, пивная), которая в процессе развития подвергается джаммингу, «замораживая» архитектуру ткани и фиксируя её форму.
• Это открытие подтверждает интуитивную догадку шотландского математика Д’Арси Томпсона, сделанную 100 лет назад в его работе «О росте и форме». Он сравнивал группы клеток с пеной, а формирование тканей — с выдуванием стекла.

Значение и перспективы

Исследование, опубликованное в журнале Nature, закладывает основу для изучения других ключевых процессов:

• Развитие эмбриона: понимание других этапов морфогенеза.
• Онкология: переход между разными архитектурами тканей — один из признаков рака. Изучение аномального переключения из твёрдого в текучее состояние ткани может помочь найти мишени для лекарств.
• Тканевая инженерия: создание органов со специфическими 3D-формами.