Эластичные микросферы расширяют понимание эмбрионального развития и раковых клеток

Новая методика, использующая крошечные эластичные шарики, заполненные флуоресцентными наночастицами, направлена на расширение понимания механических сил, существующих между клетками. Команда под руководством Университета Иллинойса продемонстрировала количественную оценку 3D-сил внутри клеток, живущих в чашках Петри, а также в живых организмах. Это исследование может раскрыть некоторые загадки, связанные с эмбриональным развитием и раковыми стволовыми клетками (опухоле-репопулирующими клетками).

Десятилетиями ученые пытались количественно оценить силы (тракции), которые толкают, тянут и сжимают клетки на протяжении их жизненного цикла. Доступные инструменты для измерения силы были недостаточно малы, чтобы поместиться в межклеточные пространства, или недостаточно чувствительны, чтобы обнаружить микроскопические движения внутри клеточных колоний.

Хотя эти механические силы малы в человеческом масштабе, их величина на клеточном уровне далеко не тривиальна. Согласно новому исследованию, предыдущие работы группы из Иллинойса и других ученых указывают, что тракции играют фундаментальную роль в физиологии клеток.

Команда под руководством профессора машиностроения Нинга Вана сообщила о своих результатах в журнале Nature Communications.

«Если мы поместим одну клетку в питательную среду в чашке Петри, она не проживет долго, даже если мы обеспечим все необходимые питательные вещества», — сказал Ван. «Клетки не могут сформировать какую-либо ткань, потому что нет опоры или каркаса, на котором можно строить».

По мере роста и размножения клетки оказывают силы друг на друга, конкурируя за пространство. Команда обнаружила, что если ввести крошечные эластичные сферы в эмбрионы рыбки данио-рерио на ранней стадии и в колонии клеток меланомы мышей в чашках Петри, они также испытывают эти силы.

«Клетки, кажется, не возражают против вторжения», — сказал Ван. «Сферы сделаны из нетоксичного микрогеля, и хотя клетки будут их перемещать, они, по-видимому, не мешают развитию».

Чтобы измерить величину силы, воздействующей на клетки, команда поместила флуоресцентные наночастицы внутрь сфер. Когда клетки сжимают сферы, наночастицы смещаются на одинаковую величину на единицу площади силы. Исследователи могут затем измерить движение светящихся частиц с помощью флуоресцентной световой микроскопии, чтобы рассчитать величину силы, действующей на сферы и клетки. Используя эту методику, команда впервые успешно измерила все три типа силы — сжатие, растяжение и сдвиг — во всех трех измерениях, заявил Ван.

Эта способность количественно оценивать силу в клетках может быть очень важна для исследования раковых клеток, сказал Ван. Команда обнаружила, что когда клетки меланомы мышей in vitro начинают размножаться от одной клетки примерно до 100–200 клеток, компрессионное напряжение не увеличивается.

«Мы думали, что раковые клетки будут генерировать большее давление на этой ранней стадии роста по мере увеличения массы опухоли, как мы наблюдали в эмбрионах данио-рерио, но этого не происходит», — сказал Ван. «Мы подозреваем, что раковые клетки начинают распространяться или метастазировать сразу после этой стадии».

Первичные опухоли обычно не являются смертельными, сказал Ван. Настоящим убийцей, по-видимому, является распространение опухоле-репопулирующих клеток из первичных опухолей в мягкие ткани — с низкими межклеточными тракциями — такие как костный мозг, мозг, легкие и печень. «Хотя основной механизм метастазирования неясен, мы выдвинули гипотезу, что опухоле-репопулирующие клетки распространяются очень быстро в этих вторичных мягких тканях. Возможность измерять изменения тракций на межклеточном уровне может служить инструментом раннего обнаружения рака», — сказал Ван.

Эта технология микрогелевых сфер также может помочь раскрыть механизмы действия недавно описанного Ваном и его коллегами синтетического препарата, останавливающего метастазирование. Кроме того, соавторы Вана продолжают применять эту технологию в исследованиях стволовых и эмбриональных клеток. «Когда другие исследователи увидят этот мощный новый инструмент, который мы разработали, они будут в восторге от его использования во многих различных областях: физиология клеток, развитие и заболевания», — сказал Ван.