Как межклеточная коммуникация влияет на развитие многоклеточной ткани

Исследовательская группа, используя комбинацию компьютерного моделирования и экспериментальных методов, получила новые данные о том, как межклеточная коммуникация влияет на дифференцировку колонии эмбриональных стволовых клеток с течением времени.

Эта работа, раскрывающая роль коммуникации между клетками, может привести к лучшему пониманию того, как многоклеточные органоиды формируются из колоний независимых клеток. Полученные знания могут лечь в основу новых методов контроля развития многоклеточных конструктов, что найдет применение в регенеративной медицине, фармацевтических испытаниях и других областях исследований.

Исследование стало результатом сотрудничества между Georgia Institute of Technology и Gladstone Institutes и было опубликовано 5 октября в журнале Nature Communications. Работу поддержал центр Emergent Behaviors of Integrated Cellular Systems (EBICS) Национального научного фонда США (NSF).

Ученые полагают, что паттерн (характер) дифференцировки стволовых клеток влияет на то, какие типы клеток в конечном итоге появятся в результате этого процесса. Однако о том, как вся система регулирует свои морфологические процессы, известно мало.

Первый автор статьи, Чад Глен, изучал, как коммуникация между соседними клетками через щелевые контакты (поры, позволяющие малым молекулам проникать из клетки в клетку) определяет судьбу этих клеток. Эксперименты с колонией из сотен однородных мышиных стволовых клеток показали, что дифференцировка начинается с изменения в одной клетке. Эта клетка запускала паттерн дифференцировки, который распространялся по клеткам и в итоге приводил к изменениям во всей колонии.

На основе экспериментальных наблюдений Глен разработал вычислительную модель этого процесса. Моделирование нескольких сотен отдельных клеток позволило изучить влияние ряда взаимосвязанных переменных и сделать конкретные прогнозы, которые затем были проверены экспериментально.

Для измерения процесса клеточной коммуникации исследователи использовали флуоресцентный краситель, чтобы отследить перемещение сигнальных молекул между клетками. С помощью лазера они "отбеливали" краситель в одной клетке и измеряли, как быстро он восстанавливался. Это показывало проницаемость клеточной мембраны и уровень коммуникации с соседями.

Частично блокируя коммуникацию между клетками, исследователям удалось замедлить процесс дифференцировки, но не изменить его паттерн. "Мы смогли "притормозить" процесс, сохранив пространственную информацию", — пояснила Мелисса Кемп, соавтор исследования. Клетки на 48-м часу процесса могли выглядеть как 24-часовые.

Комбинация компьютерного моделирования и эксперимента позволила получить ответы, недоступные для каждого метода по отдельности. "Модель могла делать прогнозы, которые мы затем проверяли экспериментально", — отметил Тодд МакДевитт, старший исследователь. Поведение, измеренное в эксперименте, соответствовало компьютерным предсказаниям, что подтвердило надежность модели.

Это исследование представляет собой еще один шаг к более полному пониманию сложной системы эмбриональных стволовых клеток и потенциальному контролю над такими системами.