Биоинженеры создали наномасштабную систему для измерения клеточных сил

Исследователи из Университета Пенсильвании разработали наномасштабную систему для наблюдения и измерения реакции отдельных клеток на внешние силы.

Комбинируя микрофабрикованные кантилеверы и технологию магнитных нанопроводов, учёные создали независимые наномасштабные сенсоры. Исследование показало, что клетки реагируют на внешние силы, и продемонстрировало динамические биологические отношения между клетками и их средой.

Исследование также выявило, что клетка ощущает силу в точке единичной адгезии, что приводит не к локальному, а к удалённому ответу со стороны внутренних сил клетки. Это можно сравнить с щекоткой локтя клетки и наблюдением за реакцией её колена.

«Клетка ощущает приложенную нами силу и регулирует свои собственные внутренние силы, чтобы компенсировать её, — сказал Крис Чен, доцент кафедры биоинженерии. — Это говорит о том, что либо цитоскелет клетки диктует реакцию, либо клетка организует биохимический ответ. В любом случае, клетки адаптируются на микроуровне».

Эти результаты полезны не только для понимания механики отдельных клеток. Физические силы играют важную роль в росте и функционировании целых тканей. Используя систему из Пенсильвании, исследователи смогут отслеживать различия в том, как силы ощущаются или генерируются в нормальных и больных клетках. Это может привести к новым терапевтическим мишеням для лекарств и методам изменения взаимодействия клеток друг с другом.

Для изучения биомеханического ответа клетки на силы команда Чена прикладывала силу к каждой клетке с помощью микрофабрикованных массивов магнитных столбиков, содержащих кобальтовые нанопровода, перемежающихся с массивом немагнитных столбиков. В магнитном поле столбики с нанопроводами прикладывали внешнюю силу к клеткам, культивируемым на их вершинах. Немагнитные столбики действовали как сенсоры, измеряющие силы тяги в каждой клетке.

Запись сил тяги в ответ на такую стимуляцию выявила два типа ответов:

• Внезапная потеря сократимости в течение первой минуты стимуляции.
• Постепенное снижение сократимости в течение нескольких минут.

В обоих типах ответов потеря сил тяги распределялась не локально (рядом с активированным микростолбиком) и не равномерно по всей клетке, а происходила в дискретных точках вдоль периферии клетки. Эти данные свидетельствуют, что клетки активно регулируют своё внутреннее натяжение в ответ на механические силы, возникающие в их микроокружении, и раскрывают важную динамическую биологическую связь между внешними и внутренними силами.

Механические силы влияют на многие клеточные функции, включая изменения в экспрессии генов, пролиферацию и дифференцировку. Например, приложение сдвиговых или растягивающих напряжений к клеткам в культуре может вызывать изменения в регуляции адгезии, внутриклеточной передаче сигналов и функции клетки, подобно внутренним силам.

Сходство клеточных реакций на внешние и внутренние силы привело к предположению, что оба типа сил могут использовать общие пути механотрансдукции для преобразования механических стимулов в биохимические сигналы. Хотя внешне приложенные и внутренне генерируемые силы могут действовать на клетки независимо, команда из Университета Пенсильвании предположила, а затем и показала, что они связаны.