«Знание того, как клетки реагируют на механические сигналы в живом эмбрионе и как они физически формируют ткани и органы в трехмерном пространстве, изменит наше представление о процессах развития», — сказал Отгер Кампас, профессор кафедры машиностроения в UCSB и старший автор статьи, в которой описывается этот новый метод в журнале Nature Methods. «Важно отметить, что эти знания помогут нам лучше понять гомеостаз здоровых тканей и широкий спектр заболеваний, которые связаны с аномальной механикой тканей, особенно рак».Рост и развитие живого организма — это хореография клеточных движений и поведения, которые следуют внутренним генетическим принципам и конкретным биохимическим и механическим сигналам. Все эти события со временем сговариваются, чтобы создать множество сложных форм и структур, которые делают наши ткани и органы функциональными.
По словам Кампаса, на протяжении десятилетий ученые концентрировались на роли биохимических сигналов в эмбриональном развитии, поскольку не существовало методов измерения механических сигналов, которым подвергаются клетки во время формирования тканей и органов.«Мы знаем, что важна механическая среда клеток», — пояснил Кампас, заведующий кафедрой системной биологии и биоинженерии UCSB Mellichamp Endowed Chair. «Выращивание стволовых клеток на синтетических поверхностях с разным уровнем податливости показало, что стволовые клетки станут клетками другого типа в зависимости исключительно от механической среды, которую они воспринимают. Если вы поместите эмбриональные стволовые клетки на такой субстрат, как Jell-O — механически похожий на мозг ткани — они превращаются в нейроны. Но если их надеть на что-то более твердое, похожее на эмбриональную кость, они превратятся в костеподобные клетки ».
До сих пор у ученых не было метода изучения механических характеристик естественной клеточной среды, то есть клеток, окруженных другими клетками, и матричных каркасов в живых тканях. Как следствие, было невозможно узнать, как клетки реагируют на механические сигналы, которые они воспринимают при построении тканей и органов.
«Разработанная нами методика позволяет измерять механические свойства, такие как жесткость и вязкость в живых тканях», — сказал автор Фридхельм Серване, который в настоящее время работает в Институте интеллектуальных систем Макса Планка в Штутгарте, Германия. «Это захватывающе, потому что важные функции клеток контролируются этими механическими свойствами. Если мы сможем измерить механические свойства в живых организмах сейчас, мы сможем лучше понять, как работает эта взаимосвязь между механикой и биологией».Ключом к этому методу являются крошечные магниточувствительные капельки, вставленные между клетками развивающегося эмбриона. Под воздействием магнитного поля эти магнитные капли деформируются, давя на соседние клетки.
Тщательно контролируя состав капель и силу магнитного поля, можно контролировать силы, прикладываемые каплей, и реакция окружающей ткани выявляет ее механические характеристики, а также сигналы, которым клетки подвергаются по мере того, как ткань растет. Этот метод дополняет предыдущую методологию, разработанную Кампасом и его коллегами, которая раскрыла силы, которые клетки прикладывают друг к другу в растущих тканях.
Ученые применили свою новую технику для изучения механического построения оси тела позвоночного. Используя эмбрионы рыбок данио, которые были отобраны за их быстрое развитие и оптическую прозрачность, они смогли показать, что механические свойства ткани изменяются вдоль оси тела, облегчая расширение тела на его заднем конце.
Вставляя магнитные капли в разные места в ткани и создавая силы, прикладывая магнитное поле к каплям, исследователи показали, что ткань ведет себя как жидкость при росте с механическими характеристиками, аналогичными густому меду. Данные показали, что ткань более жидкая на заднем конце, где она росла, и становится менее жидкой вдали от области роста.«Это похоже на выдувание стекла», — сказал Кампас. «Ткань более текучая в растущих областях и« фиксирует »свою форму, становясь менее текучей там, где ей не нужно расширяться».Выводы ученых имеют большое значение для понимания того, как органы принимают их форму и как клетки реагируют на естественную механическую среду как в здоровых тканях, так и во время болезни.
Лаборатория Кампаса изучает несколько из этих вопросов, в том числе о том, как устроены конечности и как механические изменения в опухолях влияют на поведение злокачественных клеток и рост опухоли.