Наноразмерные зонды показывают, как клеточная структура реагирует на давление

Исследователи впервые увидели, как целые клетки реагируют на внешнее механическое давление, применяя к живым клеткам «нанотолчок» и наблюдая за изменениями внутриклеточной среды.

Ученые из Национального института материаловедения в Цукубе (Япония) использовали атомно-силовую микроскопию для приложения силы к поверхности различных клеток. Метод использует наноразмерные зонды с кончиками в несколько миллиардных долей метра для измерения и картирования распределения силы по клеточной поверхности и внутри клетки.

Для анализа и моделирования измеренных сил исследователи применили машинное обучение. Также использовались техники фиксации и окрашивания для изучения влияния механического воздействия на внутренние структуры клетки, включая микротрубочки и актиновые филаменты, составляющие её «скелет».

Исследование опубликовано в журнале Science and Technology of Advanced Materials.

«Клетки — это умные материалы, которые могут адаптироваться к различным химическим и механическим стимулам из окружающей среды», — говорит один из авторов работы Дзюн Наканиши. Эта способность зависит от быстрых механизмов обратной связи, и есть растущие доказательства, что сбой этого клеточного ответа лежит в основе ряда заболеваний, включая диабет, болезнь Паркинсона, сердечные приступы и рак.

До сих пор исследования были ограничены методами: например, некоторые требуют предварительной установки сенсоров в клетки, что позволяет измерить лишь малую часть ответа. «Мы изобрели уникальный способ "прикоснуться" к клетке "нанорукой", чтобы можно было картировать распределение силы по всей клетке с нанометровым разрешением», — говорит первый автор работы Хунсинь Ван.

Исследование показало, что силы растяжения и сжатия распределяются по актиновым волокнам и микротрубочкам внутри клетки для поддержания её формы, подобно тому, как работают шесты и растяжки палатки. Когда ученые отключили несущую функцию актиновых волокон, они обнаружили, что само ядро также участвует в противодействии внешним силам, что подчеркивает роль внутренней структуры ядра в клеточном ответе на стресс.

Команда также сравнила реакции здоровых и раковых клеток. Раковые клетки оказались более устойчивыми к внешнему сжатию, чем здоровые, и с меньшей вероятностью запускали клеточную смерть в ответ.

Результаты не только проливают свет на сложную внутриклеточную механику стрессового ответа, но и открытие разной реакции раковых клеток может предложить новый способ отличать здоровые клетки от раковых — диагностический инструмент, основанный на клеточной механике.

В настоящее время больницы используют размер, форму и структуру клетки для диагностики рака. Однако эти признаки не всегда предоставляют достаточно информации для различия.

«Наши результаты предоставляют другой способ проверки состояния клеток путем измерения распределения силы, что может значительно повысить точность диагностики», — говорит другой автор работы Хань Чжан.