Сила, формирующая орган

Ученые из Университета Карнеги-Меллон создали новый биосенсор, который визуализирует механобиологические силы, определяющие развитие органов. Эти малоизученные силы представляют растущий интерес для медицины, а результаты исследования дают важное понимание, необходимое для изучения болезней и создания биоинженерных органов.

Механобиологические силы — это изменения формы и размера ткани, вызванные механическими силами, которые клетки оказывают на соседние клетки и внеклеточное окружение. Измерение этих сил в трёх измерениях, особенно в живой ткани, чрезвычайно сложно. Их роль в исследованиях биоинженерных тканей часто игнорировалась из-за отсутствия количественных данных.

«Исследователи теперь обнаруживают, что помимо процессов дифференцировки, управляемых факторами роста, для стимуляции правильной клеточной организации и функции ткани необходимо включение механических сил», — пояснил ведущий автор Дэн Шиварски.

Команда профессора Адама Файнберга разработала наномеханический биосенсор (NMBS) для измерения и картирования влияния этих сил на движение клеток, их дифференцировку и рост ткани. NMBS представляет собой флуоресцентную сетку из белка внеклеточного матрикса с размерами ячеек от 2 до 100 микрометров.

Наблюдая за деформацией этой сетки в 3D с течением времени, команда смогла отследить микроскопическое движение между клетками и их окружением. С помощью специальных методов анализа изображений эти деформации были преобразованы в карту, показывающую напряжение, направление и динамику действующих механобиологических сил. Метод был проверен с помощью компьютерного моделирования, механических испытаний и нанесения NMBS на поверхность клеток и развивающейся ткани.

Понимание этих деформаций критически важно, чтобы узнать, как совокупность клеток формирует орган. Если исследователи смогут картировать силы, действующие в процессе развития, они смогут начать «тренировать» клетки для воспроизведения естественного процесса роста.

«Мы надеемся, что NMBS предоставит новые данные о роли механических сил в широком спектре биологических явлений — от болезней вроде гипертонии до формирования новых тканей и органов. В конечном счете, мы надеемся, что эти знания помогут создать новые и улучшенные методы терапии», — сказал Адам Файнберг.

Как и разрабатываемые в той же лаборатории методы 3D-печати, NMBS — это новый инструмент, созданный для преодоления одного из главных препятствий на пути к созданию лабораторных органов для трансплантации. Такие инструменты продвигают тканевую инженерию и меняют понимание процесса органогенеза.