Клетки могут мигрировать быстрее, генерируя меньше силы

В механической биологии силы, генерируемые клетками, долгое время считались фундаментальными для их функций, включая быструю миграцию. Однако исследователи из Школы инженерии Маккелви Вашингтонского университета в Сент-Луисе обнаружили, что клетки могут генерировать и использовать меньшую силу, но двигаться быстрее, чем клетки, создающие и использующие большие силы.

Лаборатория Амита Патхака, профессора машиностроения и материаловедения, установила, что группы клеток двигались быстрее с меньшей силой, когда они прикреплялись к мягким поверхностям с ориентированными волокнами коллагена. Ранее считалось, что клетки должны постоянно генерировать силы, чтобы преодолевать трение и сопротивление окружающей среды. Однако эта потребность может быть снижена в благоприятных условиях, таких как ориентированные волокна.

Результаты, опубликованные в PLOS Computational Biology, впервые демонстрируют эту активность при коллективной миграции клеток.

В новом исследовании было обнаружено, что клетки мигрировали более чем на 50% быстрее на ориентированных волокнах коллагена по сравнению со случайными волокнами. Кроме того, клетки используют ориентированные волокна как направляющие сигналы для миграции в сторону расширения своей группы.

«Мы задались вопросом: если приложить силу, а трения нет, могут ли клетки продолжать двигаться быстро, не генерируя больше силы? — сказал Патхак. — Мы поняли, что это, вероятно, зависит от среды. Мы думали, что они будут быстрее на ориентированных волокнах, как на железнодорожных путях, но удивительно то, что они фактически генерировали меньшие силы и всё равно двигались быстрее».

Амрит Багчи, бывший аспирант лаборатории Патхака, создал мягкий гидрогель в лаборатории Маркуса Фостона, а затем ориентировал волокна с помощью специального магнита, прежде чем поместить на них клетки для отслеживания их движения.

Багчи разработал многоуровневую модель «мотор–сцепление», в которой механизмы генерации силы в клетках действуют как мотор, а сцепление обеспечивает сцепление клеток. Модель была адаптирована для коллективных клеток с использованием трёх слоёв — для клеток, волокон коллагена и специального геля под ними, — которые взаимодействовали друг с другом.

«Хотя экспериментальные результаты сначала удивили нас, они дали импульс для разработки теоретической модели, объясняющей физику этого неинтуитивного поведения, — сказал Багчи. — Со временем мы пришли к пониманию, что клетки используют ориентированные волокна как замену для восприятия сил трения, что значительно отличается от условий со случайными волокнами.

Концепция механочувствительности и передачи сигналов матриксом в нашей модели также предсказывает другие известные модели коллективной миграции, такие как гаптотаксис и дуротаксис, предлагая единую основу для учёных».