Как клетки формируют трёхмерные ткани: открытие механизмов
Учёные из Института наук о жизни и медицины на переднем рубеже Университета Киото выяснили, как механические силы управляют формированием сложных трёхмерных структур органов, на примере развития глаза.
Ключевое открытие
Исследователи обнаружили, что клетки, образующие «зрительный бокал» (optic cup), чувствуют механические силы, возникающие при деформации всей ткани, и соответствующим образом меняют свою форму.
- Процесс формирования: Для образования сферической структуры ткань сначала выпячивается из зачатка мозга, а затем впячивается внутрь.
- Роль клеток: Паттерн дифференцировки клеток заставляет их спонтанно изгибаться. Это «самоизгибание» создаёт силу, которая передаётся на граничную область, где другие клетки чувствуют это напряжение.
- Формирование «шарнира»: Комбинация деформации ткани и напряжения на границе зрительного бокала генерирует шарнир, который ещё больше подталкивает изгибающиеся клетки, приводя к образованию чашеобразной структуры.
Методология
- Компьютерное моделирование: Команда разработала вычислительную симуляцию, предсказывающую формирование 3D-структур тканей. На её основе была создана виртуальная модель зачатка глаза.
- Экспериментальная проверка: Используя культуру эмбриональных стволовых (ES) клеток мыши, учёные приложили механическое напряжение к определённым точкам. В ответ были зафиксированы предсказанные симуляцией кальциевые сигналы, механическая обратная связь и изменения формы клеток.
Значение и перспективы
- Работа раскрывает новую роль механических сил в формировании органов, что критически важно для создания сложных тканей даже in vitro.
- Результаты показывают возможность контролировать форму органов, выращенных в лаборатории, с помощью направленного механического воздействия.
«Хотя наше исследование показывает возможность контроля форм органов, созданных in vitro, с помощью соответствующей механической стимуляции на основе предсказаний, современные техники всё ещё ограничены», — отмечает ведущий учёный Мотоцугу Эйраку.
Следующая цель команды — повысить точность предсказаний симуляций и воссоздать более сложные ткани и органы. Исследование опубликовано в журнале Science Advances.