Механика жидких кристаллов объясняет, как клетки выталкивают соседей из ткани

Клетки — мастера кооперации. Чтобы поддерживать здоровье ткани, они общаются, оказывают давление друг на друга и удаляют клетки, которые не вносят вклад в общее благополучие коллектива. Этот процесс называется экструзией клеток. Клетки могут быть выдавлены по разным причинам — из-за ракового перерождения, старости или просто из-за чрезмерного уплотнения ткани. Экструзия необходима для поддержания здоровья и целостности тканей.

Хотя биохимические сигналы, лежащие в основе экструзии, давно изучаются, механические силы, участвующие в этом процессе, плохо понятны.

Вдохновившись механикой фазы вещества, называемой жидкими кристаллами, исследователи создали первую трёхмерную модель слоя клеток и поведения экструзии, возникающего из их физических взаимодействий. Модель показала, что чем сильнее клетка сжимается соседями определённым симметричным образом, тем выше вероятность её выталкивания из группы.

Модель и результаты описаны в статье "Mechanical Basis and Topological Routes to Cell Elimination", опубликованной в журнале eLife. Работа стала результатом сотрудничества лабораторий Гурусами Равичандрана, Хосе Андраде и Института Нильса Бора в Копенгагене.

Жидкий кристалл — это фаза вещества между твёрдым телом и жидкостью. Как твёрдое тело, он сопротивляется деформации, но его молекулы, как в жидкости, могут течь. Изучение жидких кристаллов традиционно относится к физике конденсированного состояния, но в последние шесть лет этот подход стал применяться для описания поведения живых клеток.

"Самое захватывающее в этом исследовании — мы только начинаем комбинировать эти области", — говорит первый автор статьи Сиаваш Монфаред. "Сложность биологии в том, что живые системы активны и неравновесны, тогда как физика и механика часто основаны на термодинамическом равновесии. Изучение активной материи очень перспективно для понимания биологических систем через физические силы".

В новой работе команда смоделировала один слой клеток, включив принципы физики жидких кристаллов. Клетки были представлены как активные и деформируемые сферические капли, плотно упакованные, как в реальной ткани, и расположенные на подложке. Исследователи могли изменять параметр адгезии — меры того, насколько сильно клетки прилипают друг к другу или к субстрату, — и наблюдать, как это влияет на экструзию.

Хотя молекулы в жидком кристалле могут свободно течь, для них характерны определённые типы симметрии. Одна из них — гексатическая симметрия (шестикратная вращательная симметрия). Модель показала, что с увеличением клеточной адгезии коллектив с большей вероятностью выталкивал клетки, нарушавшие гексатическую симметрию.

"Такое поведение, как экструзия, возникает из коллективных взаимодействий — клетки толкают друг друга, деформируются, вращаются и так далее", — поясняет Монфаред. "Конечная цель — понять, как механические силы взаимодействуют с биохимическими сигналами. Двусторонняя связь между ними — активная и интенсивная область исследований".