Объём воды в стволовых клетках определяет их судьбу: жир или кость

Добавление или удаление воды из стволовой клетки может изменить её судьбу, как показало новое исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Изменение объёма клетки меняет её внутреннюю динамику, включая жёсткость матрикса на внешней поверхности. У стволовых клеток удаление воды уплотняет клетку, подталкивая её к превращению в жёсткие пре-костные клетки, а добавление воды вызывает набухание и формирование мягких пре-жировых клеток.

Ранее было известно, что стволовые клетки реагируют на окружение, получая сигналы о своей будущей функции на основе жёсткости матрикса соседних клеток. Новые результаты подтверждают, что «природа» (внутренние свойства) играет в их развитии не меньшую роль, чем «воспитание» (внешние сигналы).

«Эти наблюдения открывают новое понимание важности объёма клетки и содержания воды для её механических свойств и физиологических функций», — говорит один из ведущих авторов Мин Го.

Граница между костью и жиром

Исследование изначально изучало влияние объёма на характеристики и функции клетки. Объём клетки сильно меняется в течение её жизни, увеличиваясь при росте и уменьшаясь при делении. Быстрые и значительные изменения размера и плотности могут происходить за счёт поглощения или выделения воды — всего за 20 минут.

Изменяя объём клеток на 20%, учёные обнаружили ряд внутренних изменений, включая экспрессию генов и жёсткость.

Чтобы проверить гипотезу, стволовые клетки нормального объёма поместили в затвердевший гидрогелевый субстрат, имитирующий жёсткость костной ткани. Через неделю большая часть клеток превратилась в пре-костные. В мягком субстрате таких клеток было значительно меньше. Однако когда у клеток удалили воду, уменьшив их объём на 20%, количество превратившихся в пре-костные клетки возросло даже в мягкой среде.

Аналогичный эксперимент на стекле (жёсткая среда) показал, что мало клеток становится пре-жировыми. Резкий рост образования жировых клеток наблюдался только после увеличения объёма стволовых клеток на 20%.

«Удивительно, что объём, по-видимому, связан с очень многими аспектами жизни клетки. Он определяет как жёсткость клетки, так и её судьбу», — отмечает соавтор Дэвид Вайц.

Будущее регенеративной медицины

Способность стволовых клеток развиваться в любой специализированный тип клеток даёт потенциал для лечения различных заболеваний — от болезней сердца до потери зубов. Понимание того, что вызывает их дифференцировку, поможет разработать методы управления их поведением и создание новых терапий.

Помимо физических сигналов, таких как жёсткость или объём клетки, на дифференцировку стволовых клеток могут влиять биологические факторы, фармацевтические препараты или биофизические агенты (свет, ультразвук, радиочастоты).