Как клетки чувствуют кривизну окружающих тканей

Клетки организма не могут видеть, но способны ощущать своё окружение и собственную форму. Учёные из Университета Монса и Института науки и технологий (IST) Австрии экспериментально и теоретически показали, как клетки могут чувствовать кривизну окружающей ткани и как это влияет на их внутренние процессы. Исследование опубликовано в Nature Physics.

Искривлённые поверхности повсеместно встречаются в биологических тканях. Например, они обеспечивают увеличенную площадь поверхности для всасывания питательных веществ в кишечнике или газообмена в лёгких. Всё больше данных свидетельствует, что клетки способны чувствовать, находятся ли они в плоской или искривлённой среде. Трёхмерная кривизна может влиять на многие процессы: движение клеток, развитие стволовых клеток и даже прогрессирование заболеваний. Однако лежащие в основе механизмы, с помощью которых клетки ощущают кривизну, и то, как она в конечном итоге определяет их поведение, остаются не до конца ясными.

Новое исследование в Nature Physics под руководством аспирантки Марин Лучано и профессора Сильвена Габриэля из Университета Монса (Бельгия) в сотрудничестве с постдоком Ши-Лей Сюэ и профессором Эдуаром Ханнезо из IST Austria выявило новые данные. Исследователи обнаружили механизмы, регулирующие поведение клеток в зависимости от изменения кривизны окружающей среды.

Команда Габриэля воспроизвела складчатые структуры, наблюдаемые в живых тканях, контролируемым способом, разработав метод выращивания клеток на искривлённых поверхностях с использованием мягких гидрогелей — гелей из длинных молекул, удерживающих между собой воду. Это было важно, поскольку эффекты кривизны сложно чётко наблюдать в сложных живых тканях, где существует множество обратных связей, зависящих от собственной формы ткани, что затрудняет различение причины и следствия.

Специально созданные поверхности имели впадины и возвышения размером от сотых до десятых долей миллиметра. Эксперименты показали, что клетки, выращенные на таких поверхностях, стремятся тонко распространяться на «горах» и скапливаться во «впадинах».

В IST Austria Сюэ и Ханнезо разработали ключевую теоретическую модель, объясняющую экспериментальное распределение клеток на поверхностях. Они использовали простой физический принцип минимизации энергии. Их модель клеток вдохновлена физикой пены и позволила понять, как кривизна управляет распределением клеток на поверхности, а следовательно, их формой и плотностью в области.

Ранее было известно, что клетки могут чувствовать плотность других клеток вокруг, и это управляет их биохимической активностью. Следовательно, биохимические маркеры, такие как Yes-ассоциированный белок (YAP) — ключевой маркер стволовых клеток, — подвержены влиянию кривизны через механизм восприятия плотности.

Это исследование определяет, как восприятие кривизны влияет на множественные пути в развитии клеток. Такая междисциплинарная работа, объединяющая физическую химию, клеточную биологию и теоретическую физику, вновь проливает свет на клеточный механизм, который до сих пор был плохо изучен.