Исследование показывает, как клетки ощущают своё окружение

Клетки выдвигают крошечные "щупальца", чтобы исследовать своё физическое окружение. Новое исследование под руководством учёных из Принстонского университета показывает, что среда вокруг типичной клетки сильно варьирует по жёсткости, и для получения значимой информации о своём окружении клетка должна двигаться и менять форму. Это открытие помогает понять, как клетки реагируют на механические сигналы, и может объяснить, что происходит, когда мигрирующие раковые клетки колонизируют новый орган или иммунные клетки участвуют в заживлении ран.

Исследование, опубликованное 18 июля в журнале Nature Communications, моделирует, как клетки буквально "ощупывают" своё окружение, например, в мышцах или костях. Эти ткани высоко неупорядочены на клеточном уровне, и клетка может проводить измерения только в непосредственной близости от себя.

Органы и ткани организма заключены в богатую волокнами структуру — внеклеточный матрикс, который служит каркасом для жизни, движения и дифференцировки клеток. Клетки взаимодействуют с этим матриксом, вытягивая из своей поверхности липкие белки, чтобы тянуть за близлежащие волокна. Предыдущие работы, в основном на искусственных плоских поверхностях, показали, что клетки могут использовать эту тактильную обратную связь для определения эластичности или жёсткости в процессе, называемом механочувствительностью. Однако из-за того, что волокна естественного матрикса все взаимосвязаны в запутанной трёхмерной сети, было неясно, сколько полезной информации клетка может извлечь, ощупывая своё непосредственное окружение.

Чтобы выяснить это, исследователи создали компьютерную симуляцию, имитирующую типичную клетку в матриксе из белка коллагена (содержится в коже, костях, мышцах и соединительной ткани), а также клетку в сети фибрина — прочного волокнистого белка, из которого состоят тромбы. Для точного воссоздания состава этих сетей использовались физические модели матриксов, созданные с помощью подходов, разработанных в группе системного биолога Дэвида Вайца из Гарвардского университета. Затем аспирант Принстона Фарзан Бероз использовал эти модели для создания виртуальных версий коллагеновых и фибриновых сетей.

С помощью математики исследователи рассчитали, как сети деформируются, когда близлежащие волокна тянут клетки. Они обнаружили, что как коллагеновые, так и фибриновые сети содержат конфигурации волокон с чрезвычайно широким диапазоном коллективной жёсткости — от довольно гибких до очень жёстких, и эти области могут находиться непосредственно рядом друг с другом. В результате два близко расположенных "щупальца" клетки могут обнаружить разную жёсткость: одно — твёрдость, а другое — мягкость. Это затрудняет для клетки понимание типа ткани, в которой она находится, только с помощью механочувствительности.

Исследователи пришли к выводу, что для получения точной оценки своего окружения клетка должна двигаться и менять форму, например, удлиняться, чтобы охватить другую область матрикса. Моделирование подтверждает данные экспериментаторов и раскрывает новые "интеллектуальные" стратегии, которые клетки могут использовать для ощупывания тканевой среды.