Крыло плодовой мушки раскрывает секреты заживления ран
Скорость закрытия ран клетками у плодовой мушки может многое рассказать о процессе заживления на ранних стадиях развития человека и потенциальных методах лечения, предотвращающих долгосрочные повреждения.
Для исследования, опубликованного в виде письма в Physical Review Research, группа под руководством профессора Кори О'Херна использовала ранее опубликованные экспериментальные данные для создания компьютерных симуляций, описывающих реакцию клеток на раны в крыльях плодовых мушек на эмбриональной и личиночной стадиях.
На обеих стадиях вокруг раны формируется внеклеточный матрикс, который затем сжимается, стягивая клетки, как шнурок, чтобы закрыть рану. Однако оказалось, что на эмбриональной стадии заживление происходит значительно быстрее, чем на более поздних.
«Мы заметили, что на более ранней стадии развития рана закрывается намного быстрее», — сказал О'Херн, профессор машиностроения и материаловедения, физики и прикладной физики.
Исследователи полагают, что эта более короткая реакция — эффект, сохраняющий жизнь. То есть рана, которая не заживает дольше на ранней стадии, может привести к серьёзным проблемам в дальнейшем развитии.
«Длительная задержка в заживлении ран может вызвать задержки в развитии и диспластические изменения тканей, — сказал он. — В то время как на более поздних стадиях развития организм, возможно, может переносить рану дольше и всё равно развиваться нормально».
Но быстрый процесс заживления имеет свою цену. Сравнив состояние заживших тканей на эмбриональной и личиночной стадиях, исследователи обнаружили, что клетки на более ранней, эмбриональной стадии более вытянуты, что приводит к заживлению ран в форме цветка.
«Когда шнурок закрывается быстро, клетки должны растягиваться, — объяснил О'Херн. — Клетки прикреплены к краям этого шнурка, поэтому, когда он сжимается и закрывает рану, клетки вынуждены растягиваться. Это быстрое закрытие заставляет клетки возле раны становиться намного тоньше и длиннее, чем они были изначально».
Клетки также растягиваются во время заживления на личиночной стадии, но, имея больше времени, они могут вернуться к своей первоначальной форме.
Ключом к этому открытию стала компьютерная модель, разработанная исследователями для этого исследования. Большинство компьютерных моделей эпителиальных тканей — наружных слоёв органов — рассматривают ткань как единое целое. Модель команды О'Херна рассматривает ткань как совокупность отдельных, деформируемых клеток.
«Таким образом, с нашей новой моделью мы можем спросить: "Насколько жёстка каждая клетка? Насколько подвижна каждая клетка? И какова форма каждой клетки?" — всё независимо от других клеток. Предыдущие модели рассматривали эпителиальную ткань как единый объект, где каждая клетка сильно связана со всеми остальными».
Это новое исследование порождает новые вопросы. Например, исследователи не знают конкретного микроскопического механизма, который заставляет клетки возвращаться к своей первоначальной форме до ранения.
Дополнительные исследования могут определить химический сигнальный процесс и связанный с ним биофизический механизм, который запускает расслабление формы клетки.
Дальнейшие исследования в этой области, по словам О'Херна, могут привести к разработке лекарства или другого стимула, который поможет человеческим эмбриональным клеткам возвращаться к своей первоначальной форме в ответ на ранение, как они это делают на более поздних стадиях развития. Это имело бы важные последствия для возможного лечения врождённых нарушений.