Клетки как принцесса на горошине: ультрачувствительность к сильным молекулярным силам

Понимание того, как клетки прилагают силу и ощущают механическую обратную связь в своём микроокружении, критически важно для изучения активации широкого спектра клеточных функций: размножения, дифференцировки и адгезии. Эти базовые физиологические процессы лежат в основе эмбрионального развития, метастазирования опухолей, заживления ран и многих других аспектов здоровья и болезней.

Новую, более детальную картину механики адгезии позволил получить инструмент, разработанный в Иллинойсе, — «тензионный датчик-привязь» (tension gauge tether). Он позволяет измерять клеточную механику на уровне единичных молекул. На 59-й ежегодной встрече Биофизического общества (7–11 февраля 2015 г., Балтимор, Мэриленд) учёные из Университета Иллинойса представили новую модель механики клеточной адгезии, которую они сравнивают со сказкой Ганса Христиана Андерсена.

«Клетки в нашем исследовании — точь-в-точь как принцесса в сказке "Принцесса на горошине"», — говорит ведущий исследователь Мехди Роэйн-Пейкар из команды Тэкджипа Ха на физическом факультете Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне. Ха и Сюэфэн Ван разработали инструмент тензионного датчика-привязи в 2013 году.

«Хотя на кровати много слоёв матрасов, то есть вокруг клетки находятся сотни тысяч слабо закреплённых молекул лигандов, клетка всё равно может почувствовать крошечную "горошину" — одну или две прочно закреплённые молекулы под собой», — поясняет Роэйн-Пейкар. «Мы обнаружили, что клетки могут ощущать механические свойства своего окружения на уровне единичных молекул».

Тензионный датчик-привязь: новый инструмент для измерения клеточной механики

Метод был впервые описан в журнале Science в 2013 году. Он предназначен для обнаружения и измерения молекулярной силы в единичном взаимодействии, активирующем рецепторы человеческих клеток. В подходе нити ДНК используются как привязи, соединяющие молекулы лиганда с поверхностью. Эти привязи имеют определённый предел прочности на разрыв и рвутся, если приложенное напряжение превышает этот предел. Связь интегрин-лиганд активирует адгезию клетки к поверхности только в том случае, если ДНК-привязь не разрывается, что позволяет измерить молекулярную силу.

«В наших предыдущих исследованиях клеткам предъявлялись тензионные датчики-привязи с разным пределом прочности, и мы обнаружили, что универсальный порог силы для опосредованной интегринами клеточной адгезии составляет около 40 пиконьютонов», — говорит Роэйн-Пейкар. Это означает, что клетки не могут прикрепиться к поверхности, если предел прочности привязи меньше 40 пиконьютонов.

По словам учёного, датчики-привязи с разной прочностью представляют разные типы лигандов. В реальности интегрины взаимодействуют с множеством лигандов. Чтобы лучше имитировать реальную среду клеток в организме человека, исследователи равномерно смешали слабые (предел разрыва 12 пиконьютонов) и сильные (предел разрыва 54 пиконьютона) датчики-привязи и изучили клеточную адгезию в этом мультиплексном сценарии.

Обнаружение ультрачувствительности клеток к сильным молекулярным силам

В мультиплексном эксперименте на одной поверхности были размещены три круглых участка с датчиками-привязями: слабыми, сильными и смесью тех и других. Слабые и сильные привязи были помечены спектрально различными красителями и различимы под флуоресцентным микроскопом.

«Когда клетки опускаются на эти поверхности, они ощущают механические характеристики среды и соответствующим образом меняют свои свойства», — объясняет Роэйн-Пейкар.

Например, если привязи на поверхности прочные, клетки прикрепляются к ней и разрывают привязи только на периферии области контакта, оставляя флуоресцентные «следы» тёмными по краям и яркими в центре. Исследователи называют это «краевым паттерном разрыва». Если же привязи на поверхности слабые, клетки разрывают все привязи и вообще не прикрепляются к поверхности, оставляя равномерно тёмные следы.

Но на поверхности со смесью привязей учёные обнаружили, что даже при наличии всего одной-двух молекул сильных привязей среди сотен тысяч слабых под клеткой, клетка способна прикрепиться к этой смешанной поверхности. Она оставляет следы, как на поверхности только с сильными привязями, а не как на слабой.

«Это открытие раскрывает ультрачувствительность клеток к силам единичных молекул в окружающей среде во время адгезии, — отмечает Роэйн-Пейкар. — Даже будучи в основном окружёнными слабыми привязями, клетки всё равно могут ощущать механические свойства своей среды на уровне одной или двух единичных молекул».

Он пояснил, что генетическая и морфологическая гетерогенность в популяциях животных клеток — это новое явление, наблюдаемое, в частности, в опухолевых популяциях. Часто движущей силой коллективного поведения популяции является лишь подмножество клеток.

Например, метастазирование (способ распространения опухолей и одна из самых разрушительных характеристик рака) часто определяется действиями подмножества клеток внутри опухолевой популяции. Открытие ультрачувствительности клеток к механическим свойствам их окружения имеет решающее значение для понимания основных физиологических процессов, лежащих в основе эмбрионального развития, метастазирования опухолей, заживления ран и многих других аспектов здоровья и болезней.

Роэйн-Пейкар также отметил, что их эксперименты в основном проводились на клеточной линии CHO (Chinese Hamster Ovary), полученной из яичника китайского хомячка и часто используемой в биологических и медицинских исследованиях. Однако не все типы клеток в их экспериментах проявляли такую чувствительность к механической среде.

Следующим шагом исследователей будет изучение большего количества типов клеток и выявление механизмов, которые наделяют определённые клетки ультрачувствительностью к силам единичных молекул.