Механобиология: как клетки используют и чувствуют силу

Механические силы управляют биологическими процессами — от сокращений сердца до микроскопических перетягиваний каната между клетками. Ранее эти аспекты биологии часто игнорировались из-за нехватки технологий для точных измерений. Сейчас появляются новые инструменты, позволяющие отслеживать механическую активность в клетках и тканях, что открывает путь к созданию новых лекарств и методов лечения.

Механобиология — это наука о том, как клетки и ткани чувствуют и реагируют на механические силы. У каждой клетки есть свой скелет — цитоскелет, сеть волокон, позволяющая клеткам прилагать и сопротивляться силам, а также двигаться.

Наблюдение за Т-клетками

Т-клетки — часть иммунной системы, они действуют как клеточные убийцы, уничтожая инфицированные вирусами или раковые клетки. С помощью методов вроде 3-D traction force microscopy (TFM) можно визуализировать, как Т-клетки на микроуровне «охотятся» на раковые клетки, проталкиваясь через ткани.

Обнаружив цель, Т-клетка крепко захватывает её и передаёт «поцелуй смерти». Такие техники, как dual pipette aspiration (DPA) и оптические пинцеты, позволяют захватывать отдельные клетки и соединять их контролируемым образом, чтобы изучить механику этого смертельного взаимодействия. Понимание этого процесса может улучшить таргетирование противораковой иммунотерапии. Первая такая терапия с использованием собственных Т-клеток пациента была недавно одобрена FDA.

Сенсоры силы

Клетки используют силовые сенсоры для обнаружения физических сигналов. Важный класс таких сенсоров — механочувствительные ионные каналы, поры на поверхности клетки, которые могут открываться и закрываться. При механическом воздействии поры открываются, химические вещества перемещаются, и возникает крошечный электрический ток через клеточную стенку, который можно измерить с помощью электродов.

Такие сенсоры есть во многих типах клеток и тканей: в нейронах, отвечающих за осязание, в метастазирующих раковых клетках, в клетках, поддерживающих хрящи в костях. Препарат EVENITY, предназначенный для предотвращения потери костной массы при остеопорозе, действует через этот путь, блокируя склеростин — фактор, подавляющий образование кости на основе механочувствительности клеток. Лечение, испытанное на мышах на МКС, прошло клинические испытания на людях и ожидает одобрения FDA.

Орган-на-чипе

Технология орган-на-чипе предназначена для помощи в разработке лекарств, моделировании болезней и персонализированной медицине. Каждое устройство размером с USB-флешку сделано из прозрачного полимера и содержит полые каналы, выстланные живыми человеческими клетками.

В отличие от обычного клеточного культивирования, чипы могут имитировать физиологию и механику взаимодействия клеток в живых тканях. Они могут воссоздавать микроархитектуру кишечника, почки, кожи, костного мозга и участков мозга. Эта технология позволяет изучать болезни в тканях и является альтернативой испытаниям на животных.

Многие исследователи и биотехнологические компании надеются, что такие технологии ускорят разработку новых лекарств. Существующие методы клинических исследований могут занимать годы и стоить миллионы долларов, а доклинические исследования на животных часто не могут точно предсказать реакцию человека.

В апреле 2017 года FDA объявило о многолетнем соглашении на оценку технологии органов-на-чипе, начиная с чипа печени, с возможным расширением на модели почек, лёгких и кишечника.

Механобиология интегрирует физические науки в биологию и стимулирует разработку новых технологий. Наблюдение за движением клеток, измерение сил на клеточном уровне и создание мини-моделей человеческих тканей в лаборатории — это только начало.