Исследователи используют электрические поля для управления клетками как стадом овец
Исследователи из Принстона создали устройство, способное направлять группы клеток подобно стаду овец, точно управляя их движением с помощью манипуляций электрическими полями, имитирующими те, что возникают в организме при заживлении. Этот метод открывает новые возможности в тканевой инженерии, включая подходы для стимуляции заживления ран, восстановления кровеносных сосудов или формирования тканей.
Учёным давно известно, что естественные электрохимические сигналы в организме могут влиять на миграцию, рост и развитие клеток — явление, известное как электротаксис. Эти процессы изучены гораздо хуже, чем хемотаксис (реакция клеток на градиенты химических веществ). Одним из препятствий был недостаток доступных инструментов для строгого изучения реакции клеток на электрические поля.
Новая система, собранная из недорогих и легкодоступных компонентов, позволяет надёжно и воспроизводимо манипулировать движением культивируемых клеток и измерять его. В статье, опубликованной 24 июня в Cell Systems, команда описала сборку и предварительные исследования с использованием устройства, названного SCHEEPDOG (Spatiotemporal Cellular HErding with Electrochemical Potentials to Dynamically Orient Galvanotaxis; гальванотаксис — синоним электротаксиса).
Предыдущие системы для изучения реакции клеток на электрические поля были «либо уникальными и сделанными вручную, с проблемами воспроизводимости, либо требовали сложного производства, что делало их дорогими и недоступными для многих лабораторий», — сказал соавтор Том Зайдель. Новая система просто закрепляется на чашке Петри.
Хотя история изучения электротаксиса длинна, это явление до конца не понято. Например, есть данные, что изменение направления естественного электрического поля может замедлить заживление ран у животных, а усиление существующего поля — ускорить его.
«Многое неизвестно о том, как отдельные клетки обнаруживают такие поля, — сказал старший автор Дэниел Коэн. — Но красота динамики толпы в том, что даже не понимая всё о каждом индивидууме, вы всё равно можете инженерным образом управлять поведением на групповом уровне для достижения практических результатов».
Устройство SCHEEPDOG содержит две пары электродов для создания электрических полей по горизонтальной и вертикальной осям, а также датчики для измерения напряжения. Уровень напряжения сравним с напряжением батарейки AA, сконцентрированным на сантиметровой камере с клетками.
«Это похоже на Etch A Sketch, — сказал Зайдель. — У нас есть «вертикальная» и «горизонтальная» ручки, и мы можем заставить клетки вычерчивать произвольные траектории во всём 2D-пространстве, просто используя эти две ручки».
Команда протестировала SCHEEPDOG на клетках кожи млекопитающих и эпителиальных клетках почек. Они обнаружили, что клетки усредняют сигналы по двум осям за временное окно около 20 секунд. Например, включение вертикального поля на 15 секунд и горизонтального на 5 секунд заставляло клетки мигрировать больше по вертикали, чем по горизонтали.
«То, что воспринимают клетки, — это своего рода виртуальный угол, и это позволяет нам программировать любые сложные манёвры, например, полный круг, — сказал Коэн. — Это удивительный уровень контроля, которого мы не ожидали, особенно когда тысячи соседних клеток выполняют эти манёвры по команде».
Исследование «добавляет понимание реакции клеток на биоэлектрические аспекты их среды», — отметил Майкл Левин из Университета Тафтса. Оно демонстрирует технику для изучения не только активности отдельных клеток, но и действий клеточного коллектива, что важно для понимания роли физических сил в кооперативных процессах эмбриогенеза, регенерации и рака.
Используя SCHEEPDOG, команда расширяет исследования на разные типы клеток. Аспирантка ГаВун Шим изучает, как разный уровень клеточной адгезии влияет на направленную миграцию — ключевую информацию для будущих применений, таких как регенерация кожи, кровеносных сосудов и нервных клеток в повреждённой ткани.
«Это первый шаг для любого заживления и регенерации, которые нам могут понадобиться в различных клинических контекстах, — сказала Шим. — Мы учимся направлять клетки туда, где они нужны, а затем сможем выяснить, что они будут делать потом».
Применение инженерных принципов для понимания и контроля электротаксиса углубит понимание его роли не только в движении клеток, но и в их росте и дифференцировке. В то время как современные методы регенерации тканей обычно включают предварительное формирование тканей, их «лепка» с помощью электрических полей может обеспечить большую гибкость и лучшие результаты. «В долгосрочной перспективе это может предложить очень интересные, совершенно новые способы работы с живыми тканями», — заключил Коэн.