Микроскопические сенсоры раскрывают клеточные силы при формировании тканей

Исследователи из Университета Брауна разработали новый метод, позволяющий визуализировать силы, действующие на клеточном уровне во время процессов формирования и роста биологических тканей. Метод может быть полезен для лучшего понимания этих процессов и изучения их реакции на токсины окружающей среды или лекарственные терапии.

Как описано в журнале Biomaterials, метод использует сферы размером с клетку, изготовленные из высокоподатливого полимерного материала, которые можно помещать в лабораторные культуры тканеобразующих клеток. По мере развития процесса формирования ткани микроскопическая визуализация сфер, окрашенных флуоресцентным красителем, показывает степень их деформации под давлением окружающих клеток. Вычислительный алгоритм затем использует эту деформацию для расчета сил, действующих в данной клеточной микросреде.

"Мы знаем, что механические силы являются важными стимулами при формировании и развитии тканей, но измерить эти силы довольно сложно", — сказал Эрик Дарлинг, доцент медицинских наук, инженерии и ортопедии. — "Эти сферы, которые мы разработали, дают нам чрезвычайно чувствительный метод для измерения этих сил с течением времени в одном и том же образце. И мы можем делать это с несколькими образцами одновременно на 96-луночном планшете, так что это также высокопроизводительный метод".

Исследование стало результатом сотрудничества между лабораторией Дарлинга и лабораторией Ханиша Кесари, доцента инженерии и эксперта по механике твердого тела. Дарлинг и аспирант Роберт Гутьеррес разработали сферы и провели эксперименты по культивированию клеток с ними, а Кесари и аспирант Вэньцян Фан разработали вычислительный алгоритм для расчета сил.

Сферы изготовлены из полимера полиакриламида. По словам Дарлинга, сферы не оказывают заметного влияния на поведение формирующихся тканей, а материал полиакриламида обладает высокостабильными и настраиваемыми механическими свойствами, что позволило создать сферы, достаточно мягкие для заметной деформации под воздействием клеточных сил.

"Ключ к успеху — это высококонтролируемый материал с очень точной формой, а также точно настроенной и однородной механической жесткостью", — сказал Кесари. — "Если мы знаем свойства сфер, то можем сделать снимки того, как меняется их форма, и вычислить силы, необходимые для этих изменений".

В качестве доказательства концепции исследователи провели серию экспериментов по измерению сил, участвующих в мезенхимальной конденсации — процессе, при котором стволовые клетки собираются вместе и в конечном итоге дифференцируются в тканеспецифические типы клеток. Этот процесс лежит в основе формирования зубов, костей, хрящей и других тканей.

В одном эксперименте команда включила сферы-силовые сенсоры в культуры клеток, которые собирались вместе, образуя многоклеточные шарики. Снимки культур делались каждый час в течение 14 часов, что позволило команде отслеживать изменения сил в каждой культуре с течением времени. Эксперименты показали, что силы, участвующие в мезенхимальной конденсации, были высоко изменчивы в течение первых примерно 5 часов процесса, прежде чем стабилизироваться в гораздо более стабильный силовой профиль. По словам исследователей, такая динамика сил была измерена впервые.

Чтобы убедиться, что сферы действительно чувствительны к клеточным силам, команда повторила эксперимент, используя культуры, обработанные ингибитором цитоскелета — препаратом, ослабляющим крошечные сократительные моторы внутри клетки. Как и ожидалось, сферы обнаружили заметно более слабые силы в культурах, обработанных препаратом.

В другом наборе экспериментов исследователи добавили сенсорные сферы в предварительно сформированные клеточные массы, чтобы наблюдать, как сферы поглощаются массой. Некоторые сферы были обработаны коллагеновым покрытием, которое позволяет клеткам связываться с сенсорами, в то время как другие были без покрытия.

"Мы смогли увидеть различия в силовых профилях между покрытыми и непокрытыми сферами", — сказал Дарлинг. — "В целом наблюдалась большая сила сжатия, но в случае с покрытыми клетками мы могли видеть, как клетки напрямую взаимодействуют со сферами, тянут их и оказывают также силу растяжения".

Дарлинг надеется, что этот метод может раскрыть фундаментальные детали о том, как работают процессы тканеобразования. В будущем его также можно будет использовать для скрининга препаратов, направленных на модуляцию этих процессов, или для тестирования воздействия токсинов окружающей среды. Он также может быть полезен в тканевой инженерии.

"Если мы хотим вырастить хрящ, может быть полезно знать, какие типы сил эти клетки оказывают друг на друга, потому что мы могли бы применить внешнюю силу, которая соответствует или дополняет этот силовой профиль", — сказал Дарлинг. — "Таким образом, помимо фундаментальных открытий, я думаю, что в перспективе у этого метода есть некоторый трансляционный потенциал".