Как клетки реагируют на физические сигналы: путь к новым методам лечения

Тело человека постоянно получает и реагирует на сигналы из окружающей среды. Многое известно о том, как клетка воспринимает и отвечает на химические сигналы (биомолекулы), например, вирус COVID-19. Однако о том, как сигналы из физической среды (такие как прикосновение, температура или свет) направляют активность клетки, известно мало. Понимание этого процесса может привести к новым способам лечения рака и других заболеваний.

Новое исследование под названием «Нанотопография модулирует внутриклеточные возбудимые системы через активацию цитоскелета», опубликованное 1 мая 2023 года в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) многопрофильной инициативой университетских исследований (MURI) под руководством Университета Мэриленда, открыло дверь к пониманию того, как клетки реагируют на физические сигналы.

«Мы выяснили, как клетка ощущает прикосновение», — сказал Вольфганг Лозерт, профессор физики в UMD и руководитель исследования. — «Мы считаем, что то, как клетки ощущают физическую среду, может сильно отличаться от того, как они ощущают химическую среду. Это может помочь нам разработать новые варианты лечения состояний, связанных с изменённой физической клеточной средой, таких как опухоли, иммунные заболевания и заживление ран».

Основное различие между химическими и физическими сигналами — размер. Химические сигналы в 100 000 раз меньше ширины человеческого волоса. Физические сигналы — «тяжеловесы».

«Мы изучили, как клетки ощущают важные физические сигналы из окружающей среды, которые примерно в 100 раз больше, чем молекулы химической сигнализации», — пояснил Лозерт.

«Мы действительно отвечаем на давнюю загадку о том, как клетки реагируют на сигналы в их среде, которые имеют физический, а не химический масштаб», — добавил соавтор статьи и член команды MURI Джон Т. Фоуркас.

Команда MURI изучила ключевых игроков во взаимодействии клетки с её физической средой:

• Цитоскелет — сеть белков, окружающая клетку и действующая как прямой сенсор физической среды.
• Актин — белок, который удерживает клетки соединёнными.
• Сигнальные пути клетки.

«Я думаю, наша работа, связанная с цитоскелетом, показывает, что он играет важную роль в восприятии физических сигналов, таких как боль», — сказала Цисин Ян, руководившая экспериментами и анализом.

Команда MURI обнаружила, что сети, направляющие миграцию клеток, находятся «выше по течению» для химического восприятия и «ниже по течению» для восприятия физической топографии; и что актин является прямым сенсором для обоих типов сигналов.

«Я думаю, это первое действительно важное подтверждение того, что сам актин является сенсором, и что волны находятся именно в этом месте сигнального пути, а не где-то далеко «внизу по течению», а на переднем плане и в центре», — сказал Фоуркас.

«Наши результаты показывают, что, подобно тому, как узоры волн в океане позволяют опытному сёрферу понять подводный рельеф, так называемые «механо-химические» волны в клетках являются ключом к восприятию сигналов из их физической среды, которые намного больше, чем отдельные белки», — сказал Лозерт. — «Это имеет значение для того, как можно было бы разрабатывать физические вмешательства для изменения поведения клеток».

Например, предыдущие исследования соавтора этой работы Питера Девриотиса из Университета Джонса Хопкинса показали, что динамика актина отличалась у наиболее инвазивных раковых клеток.

«Понимание того, как лекарства влияют на волны, — это важная дополнительная информация, которую можно использовать при принятии решений о вариантах лечения», — сказал Лозерт. — «Я вижу, что наше исследование также даёт указания о том, как можно улучшить способность иммунных клеток направляться к своей цели».