Сигналы клеток, запускающие заживление ран, оказались неожиданно сложными

Несмотря на долгое изучение, многие загадки того, как клетки в живой ткани реагируют на физические повреждения и восстанавливают их, остаются нераскрытыми. Одна из ключевых — как именно запускается процесс заживления.

Команда физиков и биологов из Университета Вандербильта, используя ультрабыстрый и сверхточный ультрафиолетовый лазер, сделала важный шаг к пониманию природы этих триггерных сигналов. Результаты описаны в статье, опубликованной 3 октября в Biophysical Journal.

Известно, что ионы кальция (Ca²⁺) играют ключевую роль в реакции на рану. Исследователи под руководством профессора Шейна Хатсона и доцента Андреа Пейдж-МакКью нацелились на клетки куколок плодовой мушки, экспрессирующие флуоресцентный белок в присутствии ионов кальция. Это позволило отслеживать изменения концентрации Ca²⁺ в клетках вокруг ран в живой ткани с миллисекундной точностью.

Микроскопические раны в эпителиальном слое создавались лазером, способным пробивать отверстия в отдельных клетках (менее миллионной доли метра). Даже самые короткие импульсы в нано- и фемтосекундном диапазоне создавали кавитационный пузырь, достаточно мощный, чтобы повредить соседние клетки.

«Повреждения от лазерных импульсов очень похожи на колотую рану, окруженную ушибленной, — говорит первый автор Эрика Шэннон. — Наши наблюдения должны быть применимы к большинству обычных ран».

Учёные проверяли две основные гипотезы триггера: 1) повреждённые клетки выделяют белки во внеклеточную жидкость, которые ощущают соседние клетки, и 2) сигнал распространяется от клетки к клетке через щелевые контакты (gap junctions).

«Мы нашли доказательства, что клетки используют оба механизма, — заявила Шэннон. — У них есть несколько разных способов сигнализировать о повреждении. Это может позволять им различать разные типы ран».

Эксперименты выявили сложную серию кальциевых сигналов в окружающей ткани:

1. Быстрый приток Ca²⁺ в клетки непосредственно вокруг раны (менее 0,1 с), вероятно, из-за микроразрывов мембран от кавитационного пузыря.
2. Короткоживущая волна распространяется через здоровые соседние клетки. Её скорость (зависящая от размера раны) указывает на передачу через щелевые контакты.
3. Вторая, более медленная волна появляется примерно через 45 секунд и распространяется дальше. Вероятно, её переносят более крупные сигнальные белки. Она возникает только при гибели клеток, а не при их повреждении.
4. После второй волны область высокой концентрации Ca²⁺ начинает испускать «вспышки» — направленные потоки поглощения кальция, длящиеся десятки секунд и продолжающиеся более 30 минут после травмы.

«Понимание этих механизмов запуска должно помочь найти способы стимулировать заживление ран у людей с такими состояниями, как диабет, или даже ускорять обычное заживление», — сказал Хатсон.