Новый математический принцип объясняет, как клетки соединяются для формирования тканей и органов
Международная группа учёных обнаружила новый математический принцип, объясняющий, как клетки соединяются друг с другом, образуя ткани. Это важный шаг в понимании того, как формируются органы во время эмбрионального развития и какие патологии связаны с этим процессом. Исследование возглавили Институт биомедицины в Севилье (IBiS) и Институт биологии интегративных систем (I2SysBio).
Работа, опубликованная в Cell Systems, проводилась на модельном организме — плодовой мушке (Drosophila melanogaster). Открытие может иметь значение для будущего создания искусственных тканей и органов в лаборатории.
В 2018 году эта же команда опубликовала в Nature Communications статью о том, что эпителиальные клетки могут принимать ранее не описанную геометрическую форму — скутоид. Клетки принимают эту форму для экономии энергии при «упаковке» в ткани с определённым уровнем кривизны (например, при образовании складки).
«До этого эпителии изучали с помощью математических концепций, описывающих их организацию в двух измерениях. Мы показали, что клетки и органы трёхмерны, и задались вопросом о существовании математических и/или биофизических принципов в 3D», — объясняет один из руководителей работы Луисма Эскудеро.
Комбинируя эксперименты с тканями мухи и вычислительные модели трубчатых тканей, исследователи разработали биофизическую модель, которая впервые связывает геометрию ткани и физические свойства клеток с тем, как они соединяются между собой.
Ключ — «социальные отношения» клеток
Исследователь Хавьер Бусета проводит аналогию с антропологией: «Антрополог Робин Данбар определил, что у человека в среднем пять близких друзей. На клеточном уровне мы обнаружили «эквивалентный» принцип: число близких «соседей» клетки (её «близких друзей») определяется геометрией ткани и её энергетическими взаимоотношениями».
Учёные установили, что чем больше связей у эпителиальной клетки с другими, тем больше энергии ей нужно для установления новых связей. И наоборот: если клетка слабо связана с «соседями», ей требуется меньше энергии для установления новой связи.
Чтобы проверить модель, исследователи изменяли ткань, уменьшая адгезию (сцепление) между клетками. Это меняло организацию, так как клеткам становилось энергетически выгоднее (менее затратно) устанавливать новые контакты. Результаты экспериментов подтвердили предложенный количественный принцип.
Учёные отмечают, что с точки зрения материаловедения «жёсткость» тканей зависит от клеточной связности. Ткани могут вести себя более вязко (как жидкость) или более твёрдо (как твёрдое тело). Результаты работы количественно показывают, как геометрия скутоидов определяет клеточную связность и, следовательно, как она может быть биологическим инструментом для регулирования материальных свойств тканей и органов.