Как механические силы кодируют функцию в клетках и приводят к фиброзу

Клетки в организме человека подвержены как химическим, так и механическим силам. Однако до недавнего времени ученые мало понимали, как управлять механической составляющей этого уравнения. Это скоро изменится.

«Это крупный прорыв в нашей способности контролировать клетки, вызывающие фиброз», — заявил Гай Генин, профессор механической инженерии в Инженерной школе Маккелви при Университете Вашингтона в Сент-Луисе. Его исследование только что опубликовано в Nature Materials.

Фиброз — это состояние, при котором клетки производят избыток волокнистой ткани. Фибробласты делают это для заживления ран, но процесс может выйти из-под контроля в нежелательных местах. Примеры включают сердечный фиброз; фиброз почек или печени, предшествующий раку; и легочный фиброз, который может вызывать серьезное рубцевание и затруднение дыхания. Каждая мягкая ткань в организме человека, даже мозг, потенциально может запустить нежелательный каскад заживления ран.

Проблема имеет как химические, так и механические корни, но механические силы, по-видимому, играют непропорционально большую роль. Исследователи из WashU стремились использовать силу этих механических сил, применяя стратегическое растяжение в правильном сочетании направлений, чтобы «приказать» клетке прекратить производство избыточных волокон.

В новом исследовании Генин и коллеги описывают некоторые детали, в том числе как вмешаться в поля напряжения в нужное время, чтобы контролировать поведение клеток.

«Направление напряжения, которое создают эти клетки, сильно влияет на их состояние активации», — сказал Натаниэль Хюбш, доцент биомедицинской инженерии и соавтор исследования.

Силы

Тело человека постоянно в движении, поэтому неудивительно, что сила может кодировать функцию в клетках. Но какие силы, какова их величина и направление — вот некоторые из вопросов, которые изучает Центр инженерной механобиологии.

«Величина напряжения влияет на то, что делает клетка», — сказал Хюбш. Но напряжение может действовать во многих направлениях. «Открытие, которое мы представляем в этой статье, заключается в том, что то, как напряжение тянет в разных направлениях, имеет значение для клетки», — добавил он.

Исследователи обнаружили, что растяжение в нескольких направлениях неоднородным образом, называемое анизотропией напряжения (представьте себе растягивание ириски), является ключевой силой, запускающей фиброз.

«Мы впервые показываем, что с помощью структуры ткани мы можем остановить цитоскелеты клеток на пути, ведущем к сокращению и, в конечном итоге, фиброзу», — сказал Генин.

Хюбш, который создал микроскопические модели и каркасы для тестирования этих полей напряжения, объяснил, что щупальцевидные микротрубочки устанавливают напряжение, выдвигаясь в определенном направлении. Коллаген вокруг клетки тянет эту трубочку обратно и выравнивается с ней.

«Мы обнаружили, что если нарушить микротрубочки, можно нарушить всю эту организацию и потенциально остановить фиброз», — сказал Хюбш.

Персонализированные планы лечения

Наряду с поиском способов предотвращения или лечения фиброза, Генин и Хюбш заявили, что врачи могут применять эти новые знания о важности механического стресса при лечении травм или ожогов. Результаты могут помочь решить проблему высокой частоты неудач при лечении пожилых пациентов с травмами, требующими повторного прикрепления сухожилия к кости или кожи к коже.

Например, при травмах вращательной манжеты плеча есть убедительные доказательства, что пациенты должны начинать двигать рукой для восстановления функции, но столь же убедительные доказательства, что руку следует обездвижить для лучшего восстановления. Ответ может зависеть от количества коллагена, производимого пациентом, и полей напряжения в месте восстановления.

Понимая влияние многомерных полей напряжения на структуру клетки, врачи смогут оценивать восстановление конкретных пациентов и определять персонализированный план лечения.

Например, пациенту, у которого в месте травмы наблюдается двуосное напряжение (из двух направлений), потенциально потребуется больше упражняться, чтобы запустить восстановление клеток, сказал Генин. Однако у другого пациента с признаками одноосного напряжения (растяжение только в одном направлении) любое движение может чрезмерно активировать клетки, поэтому в этом случае травму следует обездвижить. Все это и многое другое еще предстоит проработать и подтвердить.

«Следующее поколение болезней, которые мы покорим, — это болезни механики», — сказал Генин.