Управление движением клеток для ускорения заживления ран

Исследователи преодолели врожденное социальное поведение клеток, сделав важный шаг к направленной массовой миграции клеток кожи для закрытия ран. Как отметил ведущий автор работы Даниэль Коэн, они буквально заставили кожу «ползти».

В новом исследовании ученые преодолели инерцию зрелой ткани кожи, разорвав молекулярные связи между клетками, направив их миграцию с помощью электрического поля, а затем восстановив связи. Этот новый подход улучшает управляемость тканей и в будущем может помочь оптимизировать заживление ран с помощью электрической стимуляции.

Электрополе как стимул для клеток

Немецкий врач Эмиль дю Буа-Реймон впервые описал электрический ток, идущий от пореза на пальце, в 1848 году. Позже исследования показали, что клетки организма могут чувствовать и следовать за электрическим полем — процесс, называемый электротаксисом. Электрические поля, генерируемые в теле, способствуют заживлению, направляя клетки к ране, и также жизненно важны для роста и развития.

«Есть много причин, по которым люди думают, что электрическая стимуляция может помочь заживлению ран», — говорит ГаВун Шим, ведущий автор исследования. Однако, несмотря на многообещающие клинические данные, накопленные за десятилетия применения у пациентов, ученым еще предстоит выяснить, как именно клетки обнаруживают и реагируют на электрические поля. «Это своего рода черный ящик», — отмечает Шим.

«Мы обнаружили это базовое явление 175 лет назад, и у нас до сих пор нет коммерческих электрических пластырей», — говорит Даниэль Дж. Коэн, старший автор исследования, опубликованного 20 июля в Proceedings of the National Academy of Sciences. — «Никто на самом деле не знает правил, как это проектировать».

Проблема «рукопожатий» между клетками

В своей предыдущей работе группа Коэна использовала электрические поля, чтобы заставить тысячи отдельных клеток двигаться по кругу и вокруг углов. Новое исследование использовало модель более зрелой кожи — один слой клеток кожи мыши, соединенных вместе, — которой труднее управлять. Вместо того чтобы двигаться со скоростью и точностью марширующего оркестра, зрелые клетки кожи ползли, как толпа людей, держащихся за руки.

Зрелая ткань создавала еще одну проблему: как только передний край клеток продвигался вперед, он отрывался от чашки Петри и погибал. «Если вы даете команду, которая отличается от того, что клетки естественно "хотят" делать, вы получаете перетягивание каната», — объясняет Коэн. — «В результате ткани разрывали себя на части».

Коэн и Шим предположили, что «рукопожатия» между клетками мешают ткани плавно следовать электрическим командам. Этими «рукопожатиями» являются белки кадгерины, которые связывают соседние клетки. Они делают ткани сплоченными, но также могут создавать «пробки», когда клеткам не хватает пространства для движения.

Решение: временное ослабление связей

Поскольку кадгеринам для образования связей нужны ионы кальция, Шим выращивала клетки с разным количеством кальция и измеряла их реакцию на электрическую стимуляцию. Она обнаружила, что чем меньше кальция было у клеток, тем более текучими они становились и тем быстрее двигались. «Они двигались очень быстро — я была очень удивлена», — говорит Шим.

Чтобы подтвердить, что именно «рукопожатия» ответственны за медленное движение, Шим вырастила клетки с антителом, которое блокирует кадгерины. С заблокированными связями эти клетки двигались быстрее.

На основе этих правил исследователи разработали решение проблемы «липких» клеток:

1. Клетки выращивали в растворе с высоким содержанием кальция для образования нормальных связей.
2. Затем их обрабатывали химическим веществом, связывающим ионы кальция, чтобы разорвать «рукопожатия».
3. При пониженном уровне кальция и включении электрического поля клетки двигались по команде.
4. В конце уровень кальция восстанавливали, чтобы восстановить связи, получая здоровый и сплоченный слой клеток кожи.

Демонстрация на модели раны

Чтобы показать, что этот подход может ускорить заживление, Шим провела эксперимент в электробиореакторе, разработанном в лаборатории Коэна, который имитирует закрытие раны. В отличие от других моделей электротаксиса, где поле движет клетками в одном направлении, новая система создает электрическое поле, сфокусированное в центре «повреждения». Стимулированные ткани успешно сошлись, в то время как нестимулированные остались разделенными.

«Эта лаконичная и захватывающая работа из лаборатории Коэна дает интуитивно понятный, но ранее неизвестный урок: коллективно мигрирующие клетки легче следуют направляющим сигналам, если их взаимное сцепление слабее», — прокомментировал Алекс Могильнер, профессор математики и биологии Нью-Йоркского университета, не участвовавший в исследовании. — «Эта статья — не только фундаментальная наука, но и имеет далеко идущие биомедицинские последствия».

Перспективы и дальнейшие шаги

В дальнейшем Шим и Коэн планируют перейти от двумерной модели к трехмерной. Кожа человека состоит из разных тканей, как слоеный пирог. Результаты работы в 3D-модели покажут, будет ли этот подход работать на реальных ранах.

Эта работа может быть применена не только для ускорения заживления ран, но и для тонкой настройки процесса, чтобы предотвратить стягивание тканей и уменьшить образование рубцов.

«Мы начали с этого красивого, теплого и пушистого подхода к инженерии группового поведения, говоря: давайте посмотрим, что ткань хочет делать, и гармонизируем с этим. Оказалось, это слишком просто», — заключает Коэн. — «Иногда они не хотят вас правильно слушать. Иногда вам просто нужно изменить правила».