Связь биомеханики клетки и заживления ран
Междисциплинарная группа исследователей из Индийского института науки (IISc) выяснила, как жесткость микроокружения клетки влияет на её форму и функцию. Работу возглавили профессор Намрата Гундиа из Департамента машиностроения и профессор Патуру Кондайа из Департамента биологии развития и генетики. Результаты дают лучшее понимание процессов в тканях при заживлении ран.
Неэффективное заживление ран приводит к фиброзу тканей — процессу, который может вызвать образование рубцов и даже привести к таким состояниям, как остановка сердца. Изменения механических свойств тканей, таких как жесткость, также происходят при заболеваниях вроде рака.
В исследовании, опубликованном в Bioengineering, команда культивировала фибробласты — строительные блоки соединительной ткани организма — на полимерном субстрате PDMS с разной степенью жесткости. Они обнаружили, что изменение жесткости меняет структуру и функцию клетки.
Фибробласты участвуют в обширном ремоделировании внеклеточного матрикса (ECM), окружающего биологические клетки. ECM, в свою очередь, обеспечивает механическое напряжение, которое клетки ощущают внутри тела. Команда обнаружила, что фибробласты, выращенные на субстратах с более низкой жесткостью, были более округлыми и демонстрировали соответствующие изменения в уровнях белков цитоскелета, таких как актин и тубулин. Более того, фибробласты, выращенные на таких субстратах, показали остановку клеточного цикла, более низкие темпы роста клеток и гибель клеток.
Чтобы определить «главный регулятор», который вызывает изменения в клетке при изменении жесткости субстрата, команда сосредоточила внимание на важном сигнальном белке — трансформирующем факторе роста-β (TGF-β). Предыдущие работы показали, что активность фибробластов и архитектура ECM регулируются TGF-β.
«Дело в том, что люди говорят о химических изменениях … но не о биомеханических», — говорит Бриджеш Кумар Верма, бывший аспирант Департамента биологии развития и генетики IISc и первый автор исследования. Например, хотя каскад сигналов TGF-β широко изучался при раке, влияние механических сил — таких как жесткость субстрата — до сих пор не изучалось, добавляет Верма.
ECM, окружающий разные ткани, имеет разный уровень жесткости — от мягкого вокруг мышц до очень твердого вокруг кости. Чтобы имитировать это разнообразие, команда создала субстраты PDMS различной жесткости, на которых выращивали фибробласты. «Вы можете использовать PDMS для создания биосовместимых материалов с жесткостью субстрата в широком диапазоне — от 40 килопаскалей до более 1,5 мегапаскалей», — объясняет Аритра Чаттерджи, бывший аспирант Департамента биоинженерии IISc и соавтор работы.
Сначала исследователи не наблюдали изменений в общем уровне TGF-β. «[Интересно], когда мы провели анализ активности TGF-β, мы были весьма удивлены», — говорит Верма. Они обнаружили, что при увеличении жесткости субстрата активность TGF-β также возрастала — другими словами, уровень активной формы белка начинал расти.
Верма добавляет, что это может объяснить, почему заживление ран происходит с разной скоростью в разных тканях. Это означает, что костная ткань, которая растет на более жестком ECM, может быть менее склонна к рубцеванию после травмы по сравнению с мышечными тканями, которые находятся в более мягкой биомеханической среде.
Команда также обнаружила, что при увеличении жесткости субстрата возрастала выработка нескольких компонентов ECM — фибробласты, растущие на уже жестком субстрате, также начинают секретировать больше компонентов ECM, создавая положительную обратную связь. «Самым новым открытием был тот факт, что сигнализация [между фибробластом и ECM] фактически чувствительна к механическому стимулу, которым является жесткость субстрата», — объясняет Чаттерджи.
В будущем исследователи стремятся понять, как другие механические факторы, такие как свойства поверхности и растяжение клеток, также могут влиять на активность TGF-β.
«Микроокружение клетки очень сложное, так как она испытывает множество различных сил», — говорит Чаттерджи. Понимание их влияния и отслеживание биофизических параметров клетки также может стать полезным инструментом для различения здоровых и раковых клеток.
Опухолевую массу можно атаковать более эффективно, если понять, как меняется жесткость в больных клетках, объясняет Верма. «Я очень оптимистично настроен по этому поводу».