Исследование реакции клеток на стимулы проливает свет на механизмы заболеваний и их лечение

Ученые из Университета штата Орегон изучают, как клетки общаются и коллективно реагируют на химические стимулы во внеклеточной среде. Это знание критически важно для понимания физиологических процессов и блокирования механизмов заболеваний.

Исследование, проведенное учеными из Колледжа науки и Колледжа ветеринарной медицины Карлсона ОГУ, показывает, что длительность стимула играет большую роль в связности коммуникационных сетей клеток. В работе также участвовали ученые из Питтсбургского университета.

Мультиклеточное хемосенсорное восприятие — процесс, который до сих пор остается в значительной степени загадкой, несмотря на его важность для биологических процессов.

"Мы все еще далеки от полного понимания того, как информационные сети регулируются внешней стимуляцией или идентичностью клеток. Именно это и пыталось исследовать наше исследование", — говорит Гуанью Ли, докторант Колледжа науки.

Внеклеточная среда содержит множество химических веществ. При определенных патологических или физиологических условиях ее химический состав меняется, что запускает сигнальный процесс, заставляющий клетки создавать ответы, необходимые для поддержания нормальной функции.

Скоординированные ответы группы клеток возможны благодаря обмену молекулами с ближайшими соседями. Это позволяет клеткам чувствовать и реагировать на изменения окружающей среды более надежно, чем по отдельности.

"Например, когда вы делаете кардио-тренировку, клеткам нужна энергия, что приводит к аэробному метаболизму для создания большого количества АТФ — молекулы энергии. Когда вы испытываете жажду, ваше тело вырабатывает АДГ — антидиуретический гормон — для стимулирования реабсорбции воды, чтобы вы не обезвоживались. Все эти изменения в химических веществах подобны сигналам, пытающимся предупредить организм о том, что происходит. Приемниками этих сигналов являются отдельные клетки", — объясняет Ли.

Захватывая химические молекулы рецепторами на клеточной мембране, клетки определяют, что происходит, и запускают соответствующие процессы. Однако не каждая клетка обладает одинаковой способностью связываться с этими молекулами.

"Таким образом, в любом многоклеточном организме скоординированное восприятие и реагирование внутри группы общающихся клеток действительно важно", — отмечает Ли.

В исследовании ученые использовали статистический анализ для определения взаимоотношений клеток с их ближайшими соседями, а затем провели эксперименты, чтобы увидеть влияние стимулирующих химических веществ на клетки и сети.

Экспериментальная часть:

• Ученые стимулировали нейроны АТФ, варьируя как количество АТФ во внеклеточной среде, так и время воздействия на нейроны.
• Они также экспериментировали с подавлением скорости коммуникации клеток с помощью мононенасыщенной жирной кислоты — пальмитолеиновой кислоты — и усилением ее с помощью хлорида калия.

Ключевые выводы:

• Связность информационной сети в основном регулируется временным профилем внешней стимуляции (ее длительностью) и уровнем коммуникационной способности самой клетки.
• Размер дозы (концентрация) практически не влиял на сеть.
• Умеренная коммуникационная способность отдельных клеток приводила к максимальной связности в информационной сети клеток. Слишком высокая или слишком низкая способность к общению приводила к снижению связности сети.

Эти результаты проливают свет на то, как регулируются сети, открывая возможность управления многоклеточным ответом — и борьбы с болезнями — с помощью правильного типа стимуляции во внеклеточной среде.

Исследование также продемонстрировало коллективную силу даже сравнительно небольшой группы клеток.

"Слушая ритм музыки, наблюдая за сигналом поворота впереди идущей машины или считая волны на пляже, наш мозг ощущает периодичность и предсказывает, когда произойдет следующее событие в последовательности. Но требует ли эта функция всей мощности мозга? Может ли минимальная система, простая, как слой нервных клеток, ощущать периодический вход? Мы показали, что это возможно, и что нервные клетки делают это, формируя и организуя коммуникационную сеть на основе повторяемости сигнала", — добавил доцент биофизики Бо Сан.

Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.