Как ткани обнаруживают и восстанавливают повреждения скрытой опорной системы организма

Исследователи из Университета Вандербильта открыли ранее неизвестный биологический механизм: как ткани обнаруживают и реагируют на повреждения базальных мембран — тонких слоёв внеклеточного матрикса, которые окружают и поддерживают почти каждый орган в теле.

Исследование, опубликованное в Developmental Cell, впервые показывает, как локальные клетки чувствуют и реагируют на изменения жёсткости базальной мембраны, вызванные повреждением, и как они активируют ранее неизвестный набор клеток-"ремонтников матрикса" для восстановления ткани. Результаты имеют далеко идущие последствия, поскольку повреждение базальных мембран играет роль во многих заболеваниях, включая диабет, деменцию и рак.

Базальные мембраны — это внеклеточные матриксы, плоские листы белка и углеводов, которые необходимы для архитектуры и функции тканей. Но, как и все ткани, они подвержены повреждениям. До сих пор оставалось загадкой, как тело замечает и залечивает такие повреждения.

"Практически ничего не было известно о том, как обнаруживается и восстанавливается повреждённый матрикс", — сказала исследователь Андреа Пейдж-МакКо. "Базальные мембраны находятся вне клеток, и мы хотели понять, как клетки узнают, когда мембраны повреждены, и как они восстанавливаются".

Пейдж-МакКо, профессор Стивенсона и профессор клеточной биологии и биологии развития, руководила исследованием вместе с недавней выпускницей своей лаборатории Обри Стрикер.

Однако изучение базальных мембран является сложной задачей, поскольку их лучше всего исследовать в живом организме. Если удалить их из животного, пояснила Пейдж-МакКо, меняются их организация и связь с другими клетками и жидкостями. В этой работе команда работала исключительно на живых организмах, проводя точные генетические манипуляции на плодовых мушках, что позволило сохранить естественную среду базальных мембран и изучить их функционирование в реальном времени.

Пейдж-МакКо и Стрикер использовали передовые методы визуализации in vivo, чтобы наблюдать динамику базальных мембран в неповреждённой пищеварительной системе мух. Для анализа сложных данных визуализации исследователи применили методы автоматизированного анализа изображений, что позволило точно количественно оценить изменения жёсткости ткани.

"В Вандербильте царит атмосфера сотрудничества, и мы смогли получить помощь в автоматизированном анализе изображений от нашего коллеги Шейна Хатсона", — сказала Пейдж-МакКо. Хатсон — профессор физики.

Авторы обнаружили три ключевых результата:

• Локальные клетки контролируют целостность базальной мембраны, ощущая её механическую жёсткость — по сути, используя осязание для обнаружения повреждения.
• Пьезо-каналы — особые белки в клетках, способные ощущать физическое давление или растяжение — обнаруживают эту жёсткость. Когда они чувствуют механическую силу, они посылают сигналы, которые помогают клеткам отреагировать.
• Когда пьезо-каналы обнаруживают повреждение, их активность запускает генерацию новых клеток, названных "ремонтниками матрикса", чья задача — восстановить локальную базальную мембрану.

"Это был очень волнующий день, когда Обри обнаружила, что для появления ремонтников матрикса необходим пьезо-канал", — сказала Пейдж-МакКо.

Хотя исследование проводилось на плодовых мушках, его выводы применимы к здоровью человека. Понимание того, как тело обнаруживает и восстанавливает такие повреждения, может привести к новым терапевтическим подходам в регенеративной и спортивной медицине, а также при различных заболеваниях, таких как диабет, деменция и рак.

Хотя исследователи определили роль пьезо-каналов в обнаружении повреждений, команда надеется выяснить, какой именно тип клеток использует их для ощущения жёсткости. Они предполагают, что стволовые клетки — часто находящиеся в тесном контакте с базальными мембранами — могут быть вовлечены в ремонт. Если это так, это может изменить наше понимание того, как стволовые клетки поддерживают целостность тканей по всему телу.