Новый взгляд на течение тканей в эмбрионе

В процессе развития эмбрионов ткани резко перестраиваются и текут за считанные минуты. Это включает эпителиальные ткани, покрывающие поверхности органов и сосудов. Часто они сужаются по одной оси и удлиняются по перпендикулярной за счёт движения клеток под действием анизотропных (различных по направлениям) сил. Учёные давно задавались вопросом: как кластеры клеток превращаются в органы? Может быть, ткани временно становятся более «жидкими», чтобы легче менять форму?

Наблюдать за этим в человеческом эмбрионе невозможно, а в моделях млекопитающих (например, мышах) — очень сложно. Исследователи из Колумбийского университета и Сиракузского университета использовали плодовую мушку Drosophila, биологически сходную с человеком. В статье, опубликованной 29 мая в PNAS, они сообщают, что могут предсказать начало быстрого течения ткани, просто анализируя форму клеток.

«Благодаря теоретическим работам наших коллег из Сиракуз, мы предположили, что по форме клеток можно понять, ведёт ли ткань себя как твёрдое тело или жидкость», — говорит ведущий автор Карен Касза. — «Наши результаты могут раскрыть фундаментальные механизмы развития человека и указать на причины врождённых дефектов».

Сложность заключалась в измерении механических свойств клеток и тканей внутри крошечных эмбрионов мухи. Исследователи использовали конфокальную флуоресцентную микроскопию высокого разрешения, чтобы снять видео развития эмбриона и детально рассмотреть форму и упаковку клеток. Они сфокусировались на быстром событии — удлинении головно-хвостовой оси тела.

Совместив эксперименты в Колумбийском университете с теоретическим моделированием в Сиракузском, учёные показали, что форма и ориентация клеток в ткани помогают объяснить и предсказать, как ткань меняет форму в процессе развития и как дефекты в этих процессах приводят к аномалиям формы эмбриона. «Это была фантастическая коллаборация эксперимента и теории», — отмечает Касза.

«С теоретической стороны было неясно, какие коллективные механизмы позволяют клеткам легко перестраиваться, — добавляет соавтор Лиза Мэннинг. — С группой профессора Касза, у которой одни из лучших в мире инструментов для изучения механических свойств тканей дрозофилы, мы смогли точно определить, как изменения формы клеток влияют на механику ткани. Удивительно, что теперь мы можем, просто взглянув на снимок клеток, предсказать, как они будут двигаться, без подгоночных параметров».

Неожиданностью стало то, что учёные смогли предсказать начало течения ткани по форме клеток без каких-либо регулируемых параметров в модели. Однако, в отличие от предыдущих исследований, им пришлось включить новый параметр — анизотропию, описывающую ориентацию клеток в ткани, поскольку действующие силы были сильно анизотропными. Особенно интересно, что их данные указывают: эмбриональная ткань становится более жидко-подобной как раз перед началом быстрого течения при удлинении оси тела.

«Это действительно захватывающе, — говорит Касза, — потому что предполагает, что механические свойства клеток могут биологически регулироваться (например, генетическими инструкциями в ДНК), чтобы облегчить кардинальное изменение формы тканей в краткие временные окна развития. Это дополняет растущий массив исследований, показывающих, что механика крайне важна для понимания жизни».

Сейчас команда изучает, как генетически закодированы инструкции для изменения «текучести» ткани. Они также исследуют механические свойства тканей, чтобы построить количественные модели морфогенеза, которые позволят предсказывать, проектировать и контролировать форму и движение тканей как в развивающихся эмбрионах, так и в искусственных тканях в лаборатории.