Использование регенеративной биологии для восстановления выработки слизи
Слизь — это защитное слизистое выделение, производимое бокаловидными клетками и выстилающее органы дыхательной, пищеварительной и репродуктивной систем. Её выработка важна для здоровья, а дисбаланс может быть опасным для жизни. При таких заболеваниях, как астма, хроническая обструктивная болезнь лёгких (ХОБЛ) и язвенный колит, часто образуется слишком много слизи, обычно из-за избытка бокаловидных клеток. Потеря этих клеток (например, при раке, инфекции или травме) также разрушительна. Баланс выработки и транспорта слизи критически важен, поэтому учёные давно ищут способы контролировать регенерацию бокаловидных клеток.
Группа биоинженеров из Университета Питтсбурга обнаружила быстрый и доступный случай регенерации бокаловидных клеток в клетках, выделенных из ранних эмбрионов лягушек. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.
Лаборатория MechMorpho под руководством Ланса Дэвидсона изучает роль механики в клетках человека и в эмбрионах Xenopus (водной лягушки из Южной Африки). Дыхательная кожа головастика Xenopus, как и человеческое лёгкое, представляет собой мукоцилиарный эпителий — ткань из бокаловидных и реснитчатых клеток, защищающую от патогенов.
Исследование этого вида — быстрый и экономичный способ изучить генетические истоки биомеханики. В отличие от изменений при раке у пациентов, которые могут занимать годы, в эмбрионе лягушки они происходят за часы.
Ключевое открытие:
- Учёные взяли группу мезенхимальных клеток из раннего эмбриона и сформировали из них сферический агрегат.
- В течение пяти часов клетки начали меняться, превращаясь в тип клеток, в который они не превратились бы, оставаясь в эмбрионе.
- Был обнаружен случай регенерации, восстанавливающий мукоцилиарный эпителий из мезенхимальных клеток.
Роль механического микроокружения:
- Используя инструменты для изменения механической среды клеток, учёные обнаружили, что более жёсткая среда заставляла агрегаты превращаться в эпителиальные клетки.
- Более мягкая среда блокировала это превращение.
- Вывод: одна только механика может вызывать важные изменения в клетках.
Перспективы для медицины:
Это открытие поднимает новые вопросы в биологии рака: могут ли инвазивные раковые клетки вернуться в спящее состояние в зависимости от жёсткости или мягкости окружающих тканей?
- «Если опухоли окружены мягкими тканями, станут ли они спящими и неинвазивными?»
- «Если они находятся в жёстких тканях, будут ли они вторгаться и становиться смертоносными?»
Многие исследователи сосредотачиваются только на химических путях, но биомеханика также может влиять на развитие болезней.
Дальнейшие исследования:
- Хье Ён Ким продолжит работу в Корейском институте перспективных научных исследований и технологий (KAIST), изучая, как изменяется подвижность клеток во время регенерации и как эпителиальные клетки формируют новый эпителий.
- Лаборатория Дэвидсона исследует, как мезенхимальные клетки воспринимают эти механические сигналы и как эти пути интегрируются с известными путями, контролирующими судьбу клеток.
Эмбрионы лягушек и органоиды дают уникальный доступ к изучению этих процессов. Старая идея, что регенерацией управляют исключительно диффундирующие факторы роста и гормоны, уступает место признанию: физическая механика среды (её упругость или текучесть) играет не менее важную роль.