Клеточные тренировки укрепляют сцепление эндотелиальных клеток

Биоинженеры из Университета Пенсильвании показали, что клетки, выстилающие кровеносные сосуды, реагируют на механические силы — микроскопическое растяжение и сжатие клеточных структур — укреплением и ростом своих связей, создавая более прочные адгезивные взаимодействия между соседними клетками.

Адгезивные контакты (adherens junctions), структуры, обеспечивающие сцепление клеток в ткани, по-видимому, регулируются силами растяжения между эндотелиальными клетками. Размер контактов и величина силы растяжения между клетками растут или уменьшаются синхронно с активацией или ингибированием молекулярного моторного белка миозина.

Результаты расширяют понимание механики многоклеточных систем. Динамическая адаптация клеточной адгезии к силам может объяснить, как клетки сохраняют целостность ткани в условиях различных механических сред. Понимание влияния сил на межклеточную адгезию может открыть новые возможности для терапии, направленной на острую и хроническую дисфункцию кровеносных сосудов.

Поскольку именно эти адгезивные контакты между эндотелиальными клетками позволяют им формировать плотное соединение между кровью внутри сосудов и окружающими тканями, исследование также предполагает, что изменения механических сил могут побуждать эндотелиальные клетки модулировать «плотность» контактов друг с другом, что, в свою очередь, может изменять проницаемость сосудов. При многих патологических состояниях, таких как септический шок, диабет и в опухолевом сосудистом русле, эндотелиальные клетки не могут формировать достаточно плотные контакты, необходимые для предотвращения утечки содержимого сосудов в окружающую ткань.

Известно, что активность миозина необходима для генерации клетками сократительных сил и что миозин влияет на клеточную организацию в тканях посредством создания механических сил, действующих на актиновый цитоскелет. Однако оставался открытым вопрос, приводят ли силы к изменениям размера межклеточных адгезивных контактов. Команда продемонстрировала, что при «тренировке» актомиозиновый цитоскелет в паре клеток может генерировать значительную силу растяжения на адгезивные контакты, и в ответ контакты становятся прочнее. Чтобы доказать причинно-следственную связь, группа показала, что внешние силы, приложенные с помощью микроманипулятора, также вызывают рост контактов. Это исследование впервые позволило измерить силы, генерируемые клетками в адгезивных контактах.

Для изучения реакции адгезивных контактов на силу растяжения биоинженер Крис Чен и его лаборатория адаптировали систему микрофабрикованных силовых датчиков для получения количественных измерений силы и размера контактов. Исследователи изготовили микроиглы (шириной 3 микрона, высотой 9 микрон, или одну пятидесятую толщины человеческого волоса) из резиноподобного полимера полидиметилсилоксана и покрыли их адгезивным белком для прикрепления клеток. Этот адгезивный белок наносился на подложки микроигл в виде «узоров-бабочек», что побуждало клетки формировать пары с единственным межклеточным контактом между ними. Каждая клетка в паре прикреплялась примерно к 30 микроиглам, и исследователи могли измерять отклонение игл по мере того, как клетки оказывали тракционные (стягивающие) силы. Отклонение игл было пропорционально величине силы, генерируемой структурой.

«Роль, которую физические силы играют в клеточном поведении, стала лучше понятна за последние десять лет, — сказал Чен. — Теперь мы знаем, что клеточные структуры под механическим напряжением не обязательно разрушаются; они укрепляются. В отличие от пассивной адгезии, как у клея или скотча, адгезия клетка-матрикс и клетка-клетка, которые клетки используют как опору для прикрепления к поверхностям и друг к другу, адаптивны; когда они испытывают силу, они держатся крепче».

В предыдущих исследованиях команда Чена показала, что толкающие и тянущие клеточные силы вызывают изгиб, растяжение и сокращение клеток в процессе развития ткани. Эти процессы в конечном итоге формируют архитектуру тканей и играют важную роль в координации клеточной сигнализации, экспрессии генов и поведения, а также необходимы для заживления ран и тканевого гомеостаза у взрослых организмов.