Клетки используют механические принципы для интеграции в существующие ткани

Интеграция новых клеток в уже сформированные клеточные слои — ключевой процесс при формировании органов в эмбриональном развитии. Этот же механизм часто используется раковыми клетками для распространения.

Новое междисциплинарное исследование показывает, как новые клетки «считывают» механическую информацию от соседней ткани. Они используют клеточные «пальцы» — филоподии — чтобы касаться соседних клеток и открывать клеточный слой. Исследование опубликовано в Nature Communications.

Новые клетки используют пальцевидные структуры для открытия слоя клеток-хозяев

Чтобы понять механизм интеграции, учёные изучили формирование клеточных слоёв у эмбрионов лягушки, клетки которых имеют много общего с человеческими.

Во время развития эмбриона многослойная клеточная структура перестраивается по мере перемещения новых клеток. Этот процесс требует высокой точности.

Изображения с высоким разрешением показали, что входящие клетки протягивают пальцевидные структуры к клеточному слою над ними.

Детальный анализ экспериментов и теоретическая модель показали, что новые клетки используют свои выросты, чтобы тянуть за вершины (вертексы) слоя-хозяина, по сути, проверяя, можно ли его открыть и встроиться.

«Мы обнаружили особый белковый комплекс, который накапливается в вершине и позволяет "пальцам" входящих клеток установить физический контакт с вертексом. Это похоже на то, как клетки случайным образом протягивают "руки", чтобы найти, за что зацепиться», — объясняет руководитель исследования Амин Дустмохаммади.

Физические модели предсказывают поведение живой ткани

«Мы обратились к физической компьютерной модели клеточного слоя, чтобы предсказать, какие вершины более восприимчивы к этим тянущим силам», — говорит Дустмохаммади. «Вершины, которые соединяют четыре или более клеток, открываются легче, чем вершины, соединяющие три клетки».

«Аналогичная тенденция наблюдалась в экспериментах, что подтвердило теоретические предсказания и показало, что входящие клетки действительно используют тянущие силы, чтобы найти самые слабые точки в слое-хозяине».

Физика и биологические эксперименты идут рука об руку

Исследователи использовали простую физическую модель сети вертексов, соединённых рёбрами, в качестве аналога сложной сети, образуемой клетками.

«С помощью этой простой модели мы могли тестировать разные типы вертексов. Мы могли тянуть за них, имитируя силы, прилагаемые новыми клетками, и проверять, какое напряжение вершины могут выдержать и действительно ли они могут открыться».

«Это был настоящий диалог между моделью и экспериментами, физикой и биологией: создание простой модели, её адаптация для лучшего отражения ключевых элементов эксперимента, а затем предсказания, которые были проверены экспериментами».

Входящие клетки сами создают отверстия в существующих слоях

Однако оставалось неясным, как изначально создаются эти слабые точки. «Когда нет входящей клетки, в клеточном слое очень мало слабых точек, и большинство вертексов соединяют только три клетки. К нашему удивлению, мы поняли, что именно когда входящие клетки приближаются к клеточному слою, появляется большое количество вертексов, соединяющих четыре или пять клеток. Это говорит о том, что, возможно, сами входящие клетки могут влиять на формирование слабых точек в верхнем клеточном слое», — отмечает Дустмохаммади.

Механика направляет интеграцию клеток

Эти новые результаты подчёркивают важность механической информации в направлении движения клеток во время эмбрионального развития и позволяют лучше понять, как пальцевидные структуры (филоподии), часто встречающиеся у инвазивных раковых клеток, используются для восприятия соседних клеток.

«Поразительно, насколько механическим является весь этот процесс. У клеток нет мозга или механизма принятия решений. Поэтому особенно интересно выяснить, как входящие клетки так точно тянут, зондируют и выбирают слабые точки в существующем клеточном слое, и если среда неблагоприятна, клетки даже изменяют слой и встраиваются», — добавляет Дустмохаммади.

«Понимание механизмов встраивания клеток имеет значение для ситуаций, когда нежелательные клетки, такие как раковые, вторгаются в клеточный слой. Это понимание является предпосылкой для последующей разработки методов терапии».

Работа опубликована в журнале Nature Communications.