От эмбрионального развития до метастазирования рака: значение коллективного движения клеток
Самый распространённый тип ткани в нашем теле — эпителий — ведёт себя по-разному на разных масштабах длины. К такому выводу пришёл физик Лука Джоми в своём исследовании потока клеток. "Наши результаты даже интереснее, чем мы надеялись".
Коллективное движение клеток в эпителии — это процесс, который позволяет клеткам эмбриона перемещаться в нужное место, чтобы стать позвоночником или сердцем, и который также лежит в основе метастазирования рака. "Эти клетки движутся коллективно, как стая птиц. Но у них нет зрения или памяти, так как это возможно? Это мы и хотим понять".
Исследование опубликовано в Nature Physics и Nature Communications.
Что такое эпителий?
Эпителий — это один слой клеток, покрывающий все органы. Он выполняет множество функций. Например, внешний слой кожи — это эпителиальная ткань. Если её растянуть, она возвращается к исходной форме, как твёрдый материал.
Однако при ранении клетки устремляются туда, чтобы закрыть её, подобно жидкости. Оказалось, что фаза — это нечто среднее. "Теперь мы понимаем, что существует целый континуум между твёрдым и жидким состояниями, который мы ещё не до конца понимаем".
Скрытая структура эпителиальной ткани
С точки зрения физики, у клеток есть только два инструмента:
- Они могут оказывать силы друг на друга (толкать или тянуть соседей).
- У них есть форма.
Форма клеток определяет структуру внутри ткани. Существует тесная связь между этой структурой и механическими силами, которые приводят к движению клеток.
Джоми изучал ориентацию движущихся клеток. Клетки выглядят в основном бесструктурными, поэтому можно ожидать, что их движение случайно. Но они приблизительно шестиугольные, поэтому ткань попытались описать как жидкость из шестиугольников с движением по шести осям.
Это работало на меньших масштабах, но чего-то не хватало. Существовала другая, скрытая структура. На больших масштабах движение следует нитевидной структуре, как жидкость из стержней. На определённом масштабе длины происходит переход от "гексатической" структуры к так называемому "нематическому порядку". Другими словами, это многоуровневая структура.
Проверка теории в лаборатории
Джоми — теоретический физик. Чтобы проверить свою идею, он обратился к коллегам-экспериментаторам. "Всё это была лишь математическая теория. Я даже не думал, что её можно подтвердить в лаборатории. Нужно было очень повезти, чтобы точка перехода была видна в масштабе образцов".
Однако переход действительно наблюдался на масштабе около 20–30 клеток. "Оказалось, нам действительно повезло".
Группа Томаса Шмидта вместе с группой из Парижа провела эксперименты, чтобы понять зависимости точки перехода, например, влияние таких свойств материала, как плотность клеток или тип субстрата. "Не только наша теория подтвердилась, но мы уже начинаем понимать специфику благодаря этим экспериментам".
Что это значит для здравоохранения?
Хотя работа не входит в сферу прикладных исследований, Джоми видит потенциальную пользу для здравоохранения.
"Думаю, мы можем многому научиться, сравнивая здоровые и повреждённые ткани. Я особенно вижу диагностическую цель в лечении рака. Раковые клетки вышли из-под контроля, поэтому основные законы физики и механики — самый многообещающий способ предсказать их поведение".
"Если мы поймём метастазирование, мы сможем предсказать, как раковые клетки будут распространяться, за несколько дней вперёд. Или, что ещё увлекательнее, мы в конечном итоге сможем замедлить этот процесс. Не поймите меня неправильно — это всё ещё чисто гипотетически. Но я надеюсь, что мы когда-нибудь этого добьёмся".