Танец клеток: менуэт или мosh-pit?

Физические силы, управляющие миграцией клеток — их скоординированным перемещением внутри живого организма — изучены плохо. Учёные из Гарвардской школы общественного здравоохранения (HSPH) и Института биоинженерии Каталонии (IBEC) впервые разработали способ измерить эти силы во время коллективной клеточной миграции. Их неожиданный вывод: клетки «сражаются» друг с другом, каждая толкает и тянет соседей в хаотичном танце, но вместе они движутся согласованно в заданном направлении.

Исследование опубликовано 22 мая 2011 года в онлайн-версии журнала Nature Materials.

До сих пор было известно, что клетки могут следовать градиентам растворимых химических сигналов (морфогенов), направляющих развитие тканей, или физическим сигналам, таким как адгезия к окружающей среде. Фундаментальные исследования этих и других механизмов клеточной миграции фокусировались на разбиении поведения клеток на всё более мелкие составляющие. В отличие от них, команда HSPH работала на более высоком — групповом — уровне, изучая силы, которые клетки оказывают на ближайших соседей, чтобы разгадать загадку коллективной миграции.

Коллективные миграции клеток необходимы для многоклеточной жизни: например, для формирования эмбриона или заживления раны, когда клетки должны коллективно заполнить повреждённый участок. Однако этот процесс опасен при таких заболеваниях, как рак, когда злокачественные клетки или их скопления могут мигрировать в отдалённые участки для инвазии в другие ткани или образования новых опухолей. Понимание механизмов коллективной миграции может привести к способам контроля или прерывания болезней, связанных с аномальным движением клеток.

Лаборатории Джеффри Фредберга, профессора биоинженерии и физиологии HSPH, и его коллеги Ксавьера Трепата, исследователя из IBEC, — единственные в мире, кто теперь может измерять силы внутри и между сложными клеточными группами. «Мы впервые начинаем видеть эти силы и понимать, как они работают, когда клетки ведут себя в больших группах», — сказал Трепат.

Для этого исследователи изобрели технологию измерения под названием Monolayer Stress Microscopy, которая позволяет визуализировать мельчайшие механические силы, действующие в местах соединения отдельных клеток. Их исследования привели к открытию нового явления, названного «плитотаксис» (от греческого plithos — толпа, рой).

«Если изучать клетку изолированно, никогда не удастся понять поведение клетки в толпе», — сказал первый автор работы, научный сотрудник HSPH Дхананджай Тамбе. Вместо этого исследователи изучали группы клеток, живущих в одном тонком слое — монослое, — и точно измеряли силы, которые испытывала каждая клетка, перемещаясь внутри группы. Результаты их удивили.

«Мы думали, что когда клетки движутся, например, чтобы закрыть рану, силы будут синхронизированы и плавно меняться, согласованно варьируясь по всей массе клеток, как в менуэте», — сказал соавтор Кори Хардин, научный сотрудник Массачусетской больницы общего профиля. — «Вместо этого мы обнаружили, что силы меняются колоссально, образуя огромные пики и впадины по всему монослою. Так что силы вовсе не плавные и упорядоченные; они больше похожи на те, что в "мosh-pit" — организованный хаос с толчками и рывками во всех направлениях одновременно, но в совокупности приводящий к движению в заданном направлении».

«Это новое открытие может фундаментально изменить наше понимание механобиологии и её роли в базовых процессах, лежащих в основе функций монослоев в здоровье и болезни», — сказал Фредберг. Он также предсказал, что новый отчёт будет интересен как физикам, так и биологам и может даже стимулировать новые совместные исследования между этими дисциплинами.

Результаты исследования должны улучшить понимание клеточной миграции в эмбриональном развитии — того, как формируется человеческое тело вскоре после оплодотворения. Они также могут помочь объяснить, как раковые клетки мигрируют в смертельном процессе, называемом метастазированием.