Измерение наноразмерных сил в гладкомышечных клетках аорты раскрывает историю болезни

Исследователи из Виргинского технологического университета и Питтсбургского университета совместно применили новую наноразмерную волокнистую систему, способную с высокой точностью измерять крошечные силы, которые создают и испытывают отдельные клетки. Эта платформа, названная наносетевой силовой микроскопией (НСМ), призвана дать новые знания о биологии гладкомышечных клеток, что может иметь значение для лечения сердечно-сосудистых заболеваний — одной из ведущих причин смерти в США.

Результаты исследования клеток с помощью этой платформы опубликованы в тематическом выпуске «Силы» журнала Molecular Biology of the Cell в статье «НаноСетевая Силовая Микроскопия для измерения сил в единичных гладкомышечных клетках аорты человека» от 7 июля 2017 года.

Основная цель текущего исследования — количественно оценить силы, которые испытывают здоровые клетки в различных условиях стресса. Лаборатория Джули Филиппи (Университет Питтсбурга) предоставила для исследования здоровые гладкомышечные клетки пациентов. Сама волокнистая наносеть была разработана в лаборатории механической инженерии Амриндера Наина (Виргинский технологический университет). По словам Наина, НСМ измеряет как силы, создаваемые самими клетками, так и силы, воздействующие на клетки из окружающей среды: «Всё в природе создаёт и испытывает физическую силу. Эта платформа измеряет оба типа одновременно».

Предыдущие работы изучали механическую прочность целой ткани аорты, но понимание биомеханики единичной клетки крайне важно. Исследования на уровне одной клетки дают представление о белках, участвующих в быстротечных фокальных адгезиях, которые клетки образуют, перемещаясь в микроокружении. Система НСМ стремится максимально физиологически достоверно имитировать то, что клетки испытывают внутри коллагеновых волокон внеклеточного матрикса (ВКМ) — основы для роста клеток в живых организмах. Изменяя параметры искусственного матрикса (диаметр, плотность и расстояние между волокнами) контролируемым и воспроизводимым образом, а также используя клетки от пациентов с разной степенью тяжести заболевания, исследователи смогут моделировать условия, которые клетки испытывают в различных реалистичных ситуациях.

«Мы внимательно изучили, как расположены коллагеновые и эластиновые волокна в ВКМ, и всё указывает на то, что эти микроструктурные дефекты в ВКМ способствуют ослаблению стенок аорты и расширению сосуда», — говорит Филиппи. — «Что мы не знаем, так это: белки ВКМ так расположены с рождения или это происходит со временем? Или и то, и другое? Какую роль играют клетки? Эта инженерная платформа позволит нам ответить на некоторые из этих вопросов». Более того, НСМ может выявить гетерогенность клеток, взятых от одного пациента или от разных пациентов с одинаковым заболеванием, вплоть до разрешения одной клетки.

Следующие шаги включают тестирование клеток из обширной коллекции образцов аорты пациентов Питтсбургской группы, собранной в сотрудничестве с Томасом Глисоном, чтобы создать базу данных базовых сил для многих типов клеток. «Платформа даёт нам возможность создавать in vitro модели заболеваний с несколькими уровнями сложности», — отмечает Филиппи.

В более широком контексте, возможность точного контроля диаметра, расстояния и ориентации волокон для имитации естественной волокнистой среды позволит НСМ исследовать силы «толкания и тяги» в жизненном пути клетки в биологии развития, болезни и восстановления.