Управляя «толпой» клеток мыши, учёные продвинулись в создании искусственных тканей
Гены — не единственный фактор, определяющий, как клетки формируют многоклеточные структуры, ткани и органы. В статье, опубликованной в Nature Communications, учёный USC Stem Cell Леонардо Морсут и вычислительный биолог Caltech Мэтт Томсон охарактеризовали влияние другого важного фактора развития: плотности клеток, то есть того, насколько свободно или тесно клетки упакованы в данном пространстве.
И в компьютерных моделях, и в лабораторных экспериментах команда использовала плотность клеток как эффективный инструмент для управления тем, как клетки мыши самоорганизуются в сложные структуры.
«Эта статья — шаг к нашей глобальной цели: созданию синтетических тканей», — сказал Морсут, доцент биологии стволовых клеток и регенеративной медицины, а также биомедицинской инженерии в Keck School of Medicine of USC.
«Синтетические ткани могут иметь бесчисленные медицинские применения: от тестирования потенциальных лекарств или терапий до предоставления трансплантатов пациентам».
В исследовании использовались два типа клеток мыши — клетки соединительной ткани и стволовые клетки, — в которые внедрили синтетическую систему клеточной коммуникации или «генетическую схему». Эта схема основана на разработанной Морсутом системе «synNotch» — белке, который учёные генетически встраивают в клетку, чтобы он служил «сенсором».
Этот белковый сенсор, расположенный на поверхности клетки, распознаёт внешний сигнал, который заставляет клетку реагировать — обычно включая заданный исследователем ген.
В этой серии экспериментов учёные использовали synNotch для активации схемы, включающей зелёную флуоресценцию и механизм дальнейшей передачи сигнала, хотя с его помощью можно включать любой ген. Флуоресценция позволила легко наблюдать за формированием паттернов. Например, в поле клеток можно было создать узор из зелёных флуоресцентных колец, расходящихся из центральной точки.
Неожиданное открытие
Во время экспериментов соавтор Марко Санторелли, постдок в лаборатории Морсута, заметил, что генетически идентичные клетки не всегда формируют одинаковые паттерны.
«Мы наблюдали разные результаты формирования паттернов, когда начинали с генетически идентичных клеток, но в разном количестве», — сказал Морсут.
«Сначала это было загадкой. Помню, Марко как-то пришёл и сказал, что эксперимент сработал, но только на половине планшета. И когда мы присмотрелись, то начали замечать градиент плотности клеток, который, казалось, коррелировал с различиями в паттернах».
Выше определённой плотности клеток synNotch оказывал более слабое влияние и не создавал тех же паттернов. Ситуацию усложняло и то, что плотность клеток постоянно менялась по мере их пролиферации с изменяющейся скоростью — сложно взаимодействуя с генетической схемой synNotch.
Проверка на модели
Соавтор Пранав С. Бхамидипати, кандидат в программе MD-Ph.D. USC-Caltech, работавший в обеих лабораториях (Морсута и Томсона), заинтересовался созданием вычислительной модели, которая могла бы предсказывать и объяснять это сложное и динамичное поведение клеток.
«Для меня это был один из первых случаев, когда вычислительное моделирование смогло предсказать поведение, похожее на то, что реально происходит в клетках», — сказал Томсон, доцент вычислительной биологии Caltech и исследователь Heritage Medical Research Institute.
«Здесь оно помогло нам понять, как плотность клеток, скорость пролиферации, сигнализация и другие факторы взаимодействуют».
Морсут добавил: «Мы были рады, что у нас была вычислительная модель, чтобы по-настоящему исследовать и понять, какие возможны разные паттерны и как переходить от одного к другому».
Руководствуясь компьютерной моделью, учёные смогли использовать плотность клеток для создания разнообразных предсказуемых флуоресцентных паттернов, развивающихся в определённые промежутки времени.
Плотность — это нормально
Чтобы понять, как плотность клеток вызывает эти эффекты, соавтор Жоскен Курте, постдок в лаборатории Морсута, провёл серию экспериментов, которые привели к неожиданному открытию. Бóльшая плотность клеток вызывает стресс, который приводит к более быстрому разрушению не только synNotch в частности, но и клеточных поверхностных сенсоров в целом.
Это означает, что плотность клеток — это широко применимый инструмент для управления как модифицированными, так и естественными клетками с целью создания огромного разнообразия структур, тканей и органов.
«Природа полагалась на плотность клеток в сочетании с генетическими схемами для создания удивительного разнообразия многоклеточных структур, тканей и органов», — сказал Морсут.
«Теперь мы можем использовать эту же стратегию для продвижения наших усилий по созданию синтетических многоклеточных структур — и в конечном итоге тканей и органов — для регенеративной медицины».