Клетки одного типа по-разному реагируют на стимул, показало исследование

Используя новую технологию, позволяющую отслеживать реакцию отдельных клеток в сложной системе клеточной сигнализации, исследователи из Стэнфордского университета обнаружили гораздо больший спектр различий между клетками, чем когда-либо ранее.

Клетки действуют не единообразно, как считалось раньше.

«Думайте о клетках как о музыкантах в джаз-бэнде», — сказал Маркус Коверт, PhD, доцент биоинженерии и старший автор исследования, которое будет опубликовано онлайн в Nature 27 июня. «Одна маленькая труба начинает играть, и клетки уходят в свои собственные риффы. Одна играет за счёт другой».

До сих пор большая часть научной информации о клеточной сигнализации была получена из популяций клеток с помощью массовых анализов из-за технологических ограничений. Новое исследование, использующее систему визуализации на основе микрофлюидики, показывает, что учёных вводили в заблуждение результаты популяционных исследований.

«Хотя результат активации может быть одинаковым, процесс, который клетки используют для его достижения, очень разный», — написали авторы. «Популяционные исследования не раскрывают сложную сеть информации, наблюдаемую на уровне отдельной клетки».

«Это действительно удивило нас», — сказал соавтор Стивен Квейк, PhD, профессор биоинженерии в Стэнфорде. «Это заставляет нас вернуться к чертёжной доске, чтобы понять, что на самом деле происходит в клетках».

Клеточная сигнализация управляет базовой клеточной активностью. Способность клеток правильно реагировать на окружающую среду лежит в основе всего развития, восстановления тканей и иммунитета. Лучшее понимание того, как клетки «общаются» друг с другом, может привести к новым прорывам в лечении таких заболеваний, как рак, диабет и аутоиммунные расстройства.

«Мы видим, что различия между клетками имеют значение», — сказал Коверт. «Даже нюансы могут играть роль».

Для изучения реакций отдельных клеток лаборатория Коверта объединилась с лабораторией Квейка. Квейк изобрёл биологический эквивалент интегральной схемы — микрофлюидный чип. Три года назад исследователи в его лаборатории разработали чип специально для изучения одиночных клеток. В этом исследовании его применили для изучения воспалительной клеточной сигнализации.

«Это исследование — прекрасное биологическое применение микрофлюидного клеточного культивирования», — сказал Квейк.

Чип сделан из трёх слоёв прозрачного эластичного материала на основе кремния и содержит микроскопические эквиваленты пробирок, пипеток и чашек Петри. Клапаны и ворота контролируют поток жидкости. Регулируя поток, чип проводит десятки экспериментов одновременно. Это, по сути, лаборатория на чипе.

«Мы использовали микрофлюидную платформу, которая могла поддерживать и контролировать 96 культур клеток одновременно», — сказал Коверт. «Раньше я делал это по одной. За один год мы смогли с беспрецедентной детальностью изучить, как 5000 клеток реагируют на сигналы. Это вывело нас в совершенно новое измерение».

Учёные поместили клетки фибробластов мыши на чип и позволили им расти в микрокамере, установленной на инвертированном микроскопе. Вся система, которая помещается на небольшом столе, компьютеризирована и обеспечивает долгосрочное наблюдение за реакцией отдельной клетки на сигнал, делая снимки каждые несколько минут.

Для этого исследования клетки стимулировали различными концентрациями белка, который обычно вызывает реакцию иммунной системы на инфекцию или рак.

«Мы обнаружили, что некоторые клетки получают сигнал и активируются, а некоторые — нет», — сказал Савас Тай, PhD, постдокторант в Стэнфорде и соавтор исследования. На изображениях учёные могли видеть, что клетки реагировали по-разному, с разным временем и количеством колебаний, однако их первичный ответ во многих отношениях был одинаковым.

«Раньше мы видели клетку как беспорядочный сгусток биологического материала, но там скрыта великая инженерия», — сказал Тай. «Нам нужно было использовать математическое моделирование, чтобы понять, что происходит».

«Клетки делали совершенно разные вещи, а мы это полностью упускали», — сказал Коверт.

Добавил соавтор Джейкоб Хьюи: «Наблюдая за тысячами отдельных клеток, мы смогли с беспрецедентной детальностью охарактеризовать, как клетки интерпретируют varying intensities внешнего стимула».