Осторожно! Стекло!

5 сентября 2018



Вы когда-нибудь задумывались, как группам клеток удалось стать нашими тканями и органами, пока мы были эмбрионами?

Эмбриональная ткань данио с выделением границ клеток (мембраны изображены голубым цветом) и магнитная капля, используемая для исследования механики ткани (магнитная капля изображена желтым).

Разработав передовую технологию, исследователь Калифорнийского университета Санта-Барбары Отгер Кампас и его группа приоткрыли завесу давней тайны удивительной внутренней работы организма в самом начале его существования, изучив то, как физически устроены эмбрионы. Это не только переносит вековую гипотезу в современную эпоху, но и предоставляет научному миру плацдарм для изучения других вопросов, связанных со здоровьем человека. Например, это научное изыскание может помочь понять, как формируются и распространяются раковые опухоли или как создавать органы в условиях лаборатории.

«Если говорить кратко, то мы обнаружили фундаментальный физический механизм, который клетки используют для формирования эмбриональных тканей в их функциональные трехмерные формы», — сказал Кампас, профессор машиностроения в инженерном колледже UCSB, который руководит кафедрой Duncan & Suzanne Mellichamp, занимающейся системной биологией. Его группа исследует, как живые системы самоорганизуются, чтобы построить замечательные структуры и формы, которыми изобилует природа. Клетки координируются путем обмена биохимическими сигналами, кроме того, они удерживают друг друга и «нажимают» друг на друга, чтобы построить жизненно важные структуры тела, такие как глаза, легкие и сердце. И, как оказалось, скульптурирование эмбриона очень похоже на отливку стекла или трехмерную печать. В своей новой работе «В основе удлинения оси тела позвоночных лежит переход от жидкости к твердому веществу», опубликованной в журнале «Nature», Кампас и его коллеги, показывают, что для построения эмбрионов позвоночных клеточные скопления переключаются с жидкого состояния на твердое, это происходит примерно также, как стекло превращается в вазы, колбы стеклянные разные и редкие, или как предметы печатаются на 3D-принтере. Ну, грубо говоря, мы изнутри 3D печатаем себя.

Большинство объектов начинаются как жидкости, начиная от металлических структур до желатиновых десертов. Их конечные формы получаются путем заливки расплавленных исходных материалов в объемные матрицы, затем их охлаждения с целью получения твердых объектов, которые мы затем и используем. Примерно так же, как и в великолепных скульптурах из стекла знаменитого Дейла Чихули, которые он изготавливает из тщательно расплавленных маленьких частей стекла, медленно преобразовывая их в столь «живые» композиции, клетки в определенных участках эмбриона более активны и «расплавляют» ткань в жидкое состояние, которое может быть реструктурировано. После этого клетки «остывают», чтобы зафиксировать полученную форму ткани, объясняет Кампас. «Переход от жидкости к твердой ткани, который мы наблюдаем, известен в физике как кристаллизация », - сказал Кампас. «Кристаллизация — это очень общее явление, которое случается, когда частицы в неупорядоченных системах, таких как пены, эмульсии или жидкое стекло, спрессовываются или охлаждаются».

Данное открытие стало возможным благодаря методам, разработанных Кампасом и его группой, позволяющим измерить силы притяжения между клетками внутри эмбриона, а также создать микро-силы на клетках во время создания тканей и органов. Используя эмбрионы рыбок данио (предпочтение было им отдано из-за их оптической прозрачности и сходства их процесса развития с процессом развития человеческих зародышей), исследователи помещали крошечные капли специально спроектированной ферромагнитной жидкости между клетками растущей ткани. Сферические капли деформируются, когда клетки вокруг них нажимают на них и тянут, это позволяет исследователям видеть силы, с которыми клетки воздействуют друг на друга. Сделав эти капельки магнитными, ученые могли осуществлять еле заметные воздействия на окружающие эти капли клетки, чтобы наблюдать, как ткань реагирует на магнитное влияние. «Мы смогли измерить физические величины, которые нельзя было измерить раньше, из-за проблем, которые возникают при введении даже ультроминиатюрных зондов в крошечные развивающиеся эмбрионы», — сказал постдоктор Алессандро Монгера, являющийся ведущим автором данной статьи.

«Данио, как и другие позвоночные, начинаются с бесформенной группы клеток, позднее их тело должно обрести удлиненную форму, с головой на одной стороне и хвостом на другой», — сказал Кампас. Физическая основа реорганизация клеток, стоящая за этим процессом всегда была чем-то загадочным. Удивительно, но исследователи обнаружили, что клеточные скопления, создающие ткань, физически были подобны пене (например, пивной), которая отвердевает во время развития, «замораживая» тканевую архитектуру и определяя ее форму. Эти наблюдения подтверждают замечательную догадку, сделанную шотландским математиком эпохи викторианской эпохи Дарси Томпсоном 100 лет назад в его основополагающей работе «О росте и форме» («On Growth and Form»). «Он был убежден, что некоторые физические механизмы, которые придают формы инертным материалам, играют ту же роль в формировании живых организмов. Примечательно, что он сравнивал группы клеток с пеной, а формирование клеток и тканей с застыванием стекла», — сказал Кампас. Столетие назад не было инструментов, которые могли бы доказать правильность этой гипотезы, протестировать идеи Томпсона на практике. Новая работа, опубликованная в «Nature», дает команде Кампаса возможность рассмотреть под другим углом и другие процессы эмбрионального развития, а также, смежные области, например, она должна обеспечить лучшее понимание того, как опухоли физически вторгаются в окружающие ткани и как создавать органы со специфическими трехмерными формами «. Одним из отличительных признаков раковой опухоли является переход между двумя различными тканевыми архитектурами. Этот переход в принципе можно объяснить как аномальный переход от твердого состояния к жидкостному состоянию ткани», — пояснил Монгера. «Настоящее исследование может помочь выявить механизмы, лежащие в основе этого переключения, и выделить направления создания лекарственных препаратов, которые будут препятствовать этому».