Электричество играет неожиданную роль в поддержании здоровья защитных клеточных слоев организма

Клетки, сталкиваясь друг с другом, используют электричество, чтобы определить, у какого из соседей меньше всего энергии, и вытеснить его. Исследование Королевского колледжа Лондона в партнерстве с Институтом Фрэнсиса Крика проливает свет на заболевания, включая рак и инсульт, при которых уровни клеточной энергии могут нарушаться, препятствуя поддержанию здорового количества клеток.

Эпителиальные клетки, выстилающие все органы тела, быстро обновляются, чтобы поддерживать плотно упакованный защитный слой. Они проходят процесс, называемый экструзией, для устранения избыточных или поврежденных клеток, что необходимо для баланса между делением и гибелью клеток.

Экструзия — фундаментальный процесс, общий для живых организмов от морской губки до человека, который управляет большинством случаев гибели эпителиальных клеток. Когда он нарушается и баланс здоровых клеток сбивается, это может привести к заболеванию.

Предыдущая работа группы под руководством профессора Джоди Розенблатт из Королевского колледжа Лондона показала, что экструзия носит механический характер — когда накапливается слишком много эпителиальных клеток, скученность заставляет некоторые из них быть физически выдавленными, что приводит к их гибели.

Ученые не были уверены, являются ли переполненные клетки, отобранные для экструзии, случайными или некоторые из них целенаправленно помечаются. Это новое открытие, опубликованное в Nature, показывает, что скученность селективно нацеливается на самые слабые, энергетически бедные клетки для гибели.

Эпителиальные клетки тратят значительное количество энергии на создание и поддержание электрически заряженной поверхности или мембраны. Хотя этот электрический потенциал хорошо известен в нервных клетках, его роль в других типах клеток в значительной степени игнорировалась.

Используя микроскопы для визуализации живых клеток, ученые заметили вспышку, похожую на молнию, вокруг эпителиальных клеток перед их экструзией, которая, как выяснилось позже, была вызвана электрическим током. Они обнаружили, что эпителий использует этот потенциал для идентификации и вытеснения соседей с низким уровнем энергии. Эти «энергодефицитные» клетки отбираются для экструзии, что приводит к их гибели.

Команда использовала ингибиторы, блокирующие ионные каналы в клетках, чтобы изменить их функционирование, и обнаружила, что в переполненных клетках активируются специализированные каналы, которые заставляют ионы натрия устремляться внутрь клетки.

Это меняет электрический сигнал клетки по сравнению с ее соседями. Клетки с достаточной энергией просто выкачают натрий, чтобы поддерживать электрический потенциал. Однако клетки с низкой энергией не могут этого сделать и используют «последний вздох» энергии для активации тока, который заставляет воду покидать клетки, вызывая их сжатие и последующую экструзию.

Ведущий автор доктор Саранн Митчелл из Факультета наук о жизни и медицины Королевского колледжа Лондона сказала: «Мы видим, что этот натриевый канал действует как сенсор, выявляя клетки с наименьшим количеством энергии и помечая эти клетки для гибели.

«Этот механизм дает эпителию постоянную систему наблюдения для быстрого обнаружения слабых клеток и их удаления. Это похоже на электрическую проверку качества, сохраняющую ткани крепкими и функциональными».

Предыдущие исследования группы из Королевского колледжа показали, как экструзия может быть ключевой для разработки нового лечения по восстановлению эпителиального барьера дыхательных путей при астме, поэтому команда теперь стремится глубже изучить взаимосвязь между экструзией и болезнью.

Соавтор профессор Розенблатт, возглавляющая лабораторию в Крике, добавила: «Показав, что клетки с низкой энергией становятся мишенью для экструзии, наша работа также добавляет новый слой в понимание того, как метаболизм может влиять на многие заболевания.

«Это новое понимание может объяснить, как переедание, через потребление большего количества пищи и калорий, может подавить этот «триггер низкой энергии» для экструзии и предотвратить устранение дефектных клеток, позволяя им накапливаться и превращаться в рак. Это также может раскрыть, как энергетическое истощение после инсульта, вызванное нарушением кровоснабжения, может привести к избыточной экструзии и повреждению органов».