Механика и физика клеток могут предсказать болезни, которые их "напрягают"

Исследователи из Инженерной школы Тандона Нью-Йоркского университета открыли новый способ определения состояния отдельных клеток, применив принципы механики и физики к процессу аллостаза. Это биологический процесс поиска "новой нормы", когда стрессоры, такие как травма или болезнь, заставляют организм достичь нового уровня равновесия. Результаты работы имеют большое значение для диагностики и определения стадий хронических заболеваний, например, гипертонии и диабета.

Команда под руководством Вэйцяна Чэня и Виттории Фламини использовала визуализацию живых клеток и новый микромеханический инструмент. Он создает локальное физическое напряжение на клетках с помощью ультразвуковых импульсов и "микропузырьков", прикрепляющихся к мембране. Одновременно ученые измеряли аллостатические реакции, натяжение цитоскелета (ЦСК) и клеточную энергию.

Клетки гладкой мускулатуры сосудов помещали в субстрат из эластичных микростолбиков полидиметилсилоксана (PDMS). Это позволило количественно оценить клеточную силу и энергию по отклонению столбиков. Флуоресцентная микроскопия показала, как стресс реорганизует ЦСК, особенно его компоненты актин и миозин.

На основе экспериментальных данных была построена новая биофизическая модель энергетической клеточной машинерии для понимания аллостаза. В этом процессе клеточная энергия не только обеспечивает движущую силу для адаптации, но и создает отрицательную обратную связь для стабилизации системы клетки.

"Нарушенный энергетический паттерн и плохая адаптация клетки могут указывать на переход от здорового состояния к патологическому, такому как диабет, гипертония или старение", — сказал Чэнь.

Модель протестировали на четырех проявлениях напряжения ЦСК, актина, миозина и чистой энергии до, во время и после введения в клетки химических агентов, создающих дисфункциональные паттерны — фенотипы болезней. Например:

• Нарушение структур ЦСК, таких как актиновые волокна, может привести к слабому адаптивному процессу, что указывает на патологии вроде диабета.
• Чрезмерная активность полимеризации актина в клетках может вызвать "затяжное возбуждение" или "гипореактивность" без периода "отдыха" после воздействия, как при гипертонии.

"Баланс энергии — это индикатор здоровья, — сказала Фламини. — Мы показали, что можем это предсказать".

В сотрудничестве с коллегами из NYU Langone Health команда сейчас фокусируется на сердечно-сосудистых заболеваниях, таких как аневризма, где воспаление влияет на белки, регулирующие эластичность клеток сосудов. В готовящейся публикации будет рассмотрен потенциал этого подхода для ускорения диагностики и определения стадии аневризмы.