Физика стволовых клеток

Взгляд на стволовые клетки глазами физиков ставит под сомнение некоторые наши базовые представления об этих главных клетках организма.

Одна из многих загадок — как постоянно обновляющиеся взрослые клетки (например, в коже) достигают тонкого баланса между самовоспроизведением и дифференцировкой, то есть одновременно поддерживают свою популяцию и производят более специализированные клетки для замены.

Физики доктор Кевин Шалю и профессор Бен Саймонс из Кембриджского института стволовых клеток Wellcome Trust-MRC применяют физический подход к биологическим данным. Это позволяет задавать «еретические» вопросы, например, можно ли описать поведение стволовых клеток несколькими простыми правилами.

Гибкость судьбы клетки

Распространённое предположение, что клетка, «обречённая» на дифференцировку, не может вернуться назад, оказалось неверным. Стволовые клетки гораздо более адаптивны.

Используя флуоресцентные маркеры и наблюдение в реальном времени, группа Саймонса обнаружила, что клетки могут обратимо перемещаться между состояниями, склонными к самовоспроизведению или дифференцировке, в зависимости от их физического положения в нише стволовых клеток.

Это объясняет парадокс: млекопитающим, от слонов до мышей, для поддержания уровня крови в организме, по некоторым оценкам, нужно всего несколько сотен кроветворных стволовых клеток. Если потенциал самообновления может обратимо меняться, то число клеток, сохраняющих стволовой потенциал, может быть намного выше.

Механические сигналы и плюрипотентность

Группа Шалю изучает роль физических и механических свойств в принятии клеткой решения о своей судьбе. Они исследуют момент возникновения плюрипотентности (способности дать начало любому типу клеток тела) в эмбрионе.

Сжимая клетки с помощью давления жидкости и миниатюрных кантилеверов, учёные измерили их механические свойства. Они обнаружили, что ядра эмбриональных стволовых клеток обладают необычным свойством — ауксетичностью.

• Обычные материалы (как резинка) при растяжении становятся тоньше, а при сжатии — шире.
• Ауксетичные материалы ведут себя наоборот: при сжатии сжимаются, при растяжении — расширяются.

«Ядро эмбриональной стволовой клетки — это ауксетичная губка: оно может раскрыться и впитать материал при растяжении и вытеснить весь этот материал при сжатии. Но как только клетки дифференцируются, это свойство исчезает», — пояснил Шалю.

Ауксетичность возникает именно в тот момент развития, когда клетке нужно начать дифференцировку. Возможно, это свойство нужно, чтобы ядро могло впустить молекулы, необходимые для дифференцировки. Одним из факторов регуляции плюрипотентности может быть механический сигнал.

Перспективы междисциплинарного подхода

Объединение физики и биологии позволяет не только ответить на ключевые вопросы биологии стволовых клеток, но и найти новые объяснения механизмов развития болезней, рака и старения.

«Учёные-истории полны примеров областей, которые обогатились, когда люди приходили и смотрели на проблему под разными углами», — отметил Саймонс.