Механистическая теория клеточной и тканевой пластичности

Клетки и ткани подвергаются значительным необратимым деформациям в таких процессах, как формирование тканей и развитие эмбриона. Команда исследователей под руководством профессора Юань Линя из Департамента машиностроения Гонконгского университета (HKU) совершила крупный прорыв, показав, как пластическая деформация развивается в отдельных клетках и затем распространяется внутри ткани.

Исследование под названием «A Mechanism-Based Theory of Cellular and Tissue Plasticity» опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

«Раскрыв биофизические механизмы развития клеточной и тканевой пластичности на разных масштабах, это исследование — большой шаг вперёд в понимании таких процессов, как формирование органов и эмбриогенез», — сказал профессор Линь. Разработанная теоретическая основа также может дать ключевое понимание для разработки инновационных стратегий в регенеративной медицине.

Морфогенез, процесс, в ходе которого ткани, органы и организмы приобретают сложные трёхмерные геометрии, включает высококоординированную и запрограммированную деформацию множества клеток. Недавние исследования показали, что такая деформация часто необратима. Однако то, как именно развиваются клеточная и тканевая пластичность, а также биофизические механизмы, стоящие за ними, до сих пор оставались загадкой для учёных.

В сотрудничестве с исследователями из Наньянского технологического университета Сингапура профессор Линь и его команда, включая Фуцяна Суня, доктора Чао Фана и доктора Сюэин Шао, разработали первую в своём роде многоуровневую теорию. Она показывает, что в ответ на оптические или механические стимулы миозиновое сокращение и образование эндоцитарных везикул, облегчаемое тепловыми флуктуациями, с их последующим отщеплением, могут приводить к постоянному укорочению клеточных контактов.

Такое пластическое сжатие может растягивать соседние клетки и запускать их активное сокращение через механохимические обратные связи и их необратимую деформацию, что в конечном итоге приводит к распространению волн пластической деформации внутри ткани.

Теория предсказывает, что с наибольшей вероятностью будут образовываться эндоцитарные везикулы размером около 1–2 мкм. Более сильное необратимое укорочение клеточных контактов может быть достигнуто, если длительная стимуляция разбивается на несколько коротких, и волна пластического сжатия распространяется с постоянной скоростью в монослое клеток. Все эти предсказания количественно согласуются с экспериментальными наблюдениями.

Команда профессора Линя является одним из мировых лидеров в изучении клеточной пластичности и её роли в различных биологических процессах. Например, они первыми показали, как клеточная анизотропия и пластичность способствуют правильному удлинению развивающихся эмбрионов. Они также продемонстрировали, что способность опухолевых клеток подвергаться пластическим деформациям напрямую коррелирует с их метастатическим потенциалом. Эти более ранние исследования были опубликованы в Science Advances и Physical Review Letters.