Инженеры «сжимают» стволовые клетки человека
Исследователи использовали оптический пинцет для сжатия микроскопической бусины, прикрепленной к внешней стороне стволовой клетки человека, и выяснили, как механические силы могут запускать ключевой сигнальный путь в клетках.
Сжатие способствует высвобождению ионов кальция, хранящихся внутри клеток, и открывает каналы в клеточной мембране, позволяя ионам поступать в клетки. К такому выводу пришла группа исследователей под руководством биоинженера Инсяо Вана из Калифорнийского университета в Сан-Диего.
Ученым было известно, что механические силы, воздействующие на стволовые клетки, играют важную роль в том, как клетки создают все виды тканей — от костной до кроветворной. Однако до сих пор не было ясно, как некоторые из этих сил преобразуются в сигналы, побуждающие стволовые клетки строить новую ткань.
Результаты, опубликованные в журнале eLife, могут помочь ученым больше узнать о «функциональных механизмах, лежащих в основе дифференцировки стволовых клеток». Они также могут служить ориентиром для исследователей, пытающихся воссоздать эти механизмы в лаборатории, чтобы направлять стволовые клетки к развитию в ткани, пригодные для трансплантации и других методов лечения.
«Механическое окружение вокруг стволовой клетки помогает определять ее судьбу, — пояснил Ван. — Клетки, окруженные жесткой тканью, например, в челюсти, подвергаются большему напряжению, что может стимулировать выработку более твердых тканей, таких как кость».
С другой стороны, стволовые клетки в тканях с меньшей жесткостью и напряжением могут производить более мягкий материал, например, жировую ткань.
Ван и его коллеги хотели больше узнать о том, как эти силы окружающей среды преобразуются в сигналы, которые стволовые клетки используют для дифференцировки в более специализированные клетки и ткани. В эксперименте они приложили силу к мезенхимальным стволовым клеткам человека — типу стволовых клеток, обнаруженных в костном мозге, которые превращаются в кость, хрящ и жир.
Инженеры использовали высокофокусированный лазерный луч для захвата и манипулирования крошечной бусиной, прикрепленной к мембране стволовой клетки, создав оптический «пинцет» для приложения силы к бусине. Приложенное пинцетом сжатие было чрезвычайно малым — порядка 200 пиконьютонов. (Сила измеряется в ньютонах; один ньютон примерно равен весу яблока, удерживаемого гравитацией Земли, а один пиконьютон эквивалентен одной триллионной ньютона.)
Когда вне клетки не было циркулирующих ионов кальция, эта сила способствовала высвобождению ионов кальция из структуры внутри клетки, называемой эндоплазматическим ретикулумом. В этом высвобождении участвуют внутренние структурные белки клетки, называемые цитоскелетом, а также сократительный белковый аппарат — актомиозин. Когда сила запускала поступление ионов кальция в клетку из внешней среды, был задействован только цитоскелет.
Ионы кальция помогают передавать ряд важных клеточных сигналов, отметил Ван. «Они часто запускают молекулярный каскад внутри клеток и могут посылать сигналы в ядро клетки, которые могут включать или выключать экспрессию генов».
Такой тип сигнализации может быть одним из связующих звеньев между механическими силами, действующими на стволовую клетку, и ее превращением в другие типы клеток. Исследовательская группа планирует изучить влияние механической силы на другие сигнальные пути в различных типах клеток, чтобы больше узнать о том, как они могут регулировать клеточную судьбу.