Физическое сжатие может заставить стволовые клетки расти и делиться быстрее

Новое исследование учёных из США показало, что физическое сжатие клеток может значительно ускорить их рост и деление. Исследователи из Массачусетского технологического института и Бостонской детской больницы обнаружили, что физическая скученность на клеточном уровне увеличивает вероятность возникновения взаимодействий, которые могут существенно изменить здоровье и развитие клетки.

На первый взгляд попытка ускорения роста за счёт сдавливания может показаться нелогичной. Однако команда исследователей считает, что при этом вода выталкивается из клетки, и её внутреннее содержимое концентрируется. А когда определенные белки оказываются в непосредственной близости, они могут запускать передачу сигналов и активировать гены.

В новом исследовании, результаты которого опубликованы в журнале Cell Stem Cell, ученые показали, что сжатие клеток кишечника запускает кластеры белков по определенному сигнальному пути, который помогает клеткам поддерживать недифференцированное cтволовое состояние, позволяющее им быстро расти и дифференцироваться в специализированные клетки.

Мин Го (Ming Guo), доцент Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology, MIT), говорит, что если клетки можно просто сжать для обеспечения их «стволовости», то их можно будет направить на создание миниатюрных органов, таких как искусственный кишечник, которые затем будут использоваться в качестве платформ для изучения функций, тестирования новых лекарств и даже в качестве трансплантатов для регенеративной медицины.

Для изучения влияния сдавливания на клетки, исследователи смешали различные типы клеток в растворах, которые затвердевали в виде эластичных пластин гидрогеля. Чтобы сжать клетки, на поверхность гидрогеля помещали грузы, которые выглядели как 10- и 25-центовые монеты.

«Мы хотели добиться значительного изменения размера клетки, и под действием веса этих двух типов грузов клетки сжимаются примерно на 10–30 % от общего объема», — сказал Мин Го.

Команда использовала конфокальный микроскоп, чтобы измерить в 3D модификацию формы отдельных клеток при сжатии каждого образца. Как они и ожидали, клетки уменьшились от давления. Но повлияло ли сжатие на их внутреннюю организацию?

Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи сначала проверили изменение содержания воды в клетке. Команда пришла к выводу, что внешнее давление выталкивает воду из клетки, она становится менее гидратированной. В результате повышается жесткость клетки.

Учёные измерили жесткость клеток до и после воздействия грузов, используя оптический пинцет – лазерное устройство, которое лаборатория Го применяла в течение многих лет для изучения взаимодействия внутри клеток. Они обнаружили, что клетки под давлением действительно становились жесткими. Кроме того, содержимое сжатых клеток было менее подвижно, что позволяет предположить, что оно уплотнилось по сравнению с нормальным состоянием.

Далее учёные проверили наличие изменений во взаимодействиях между определенными белками в клетках в ответ на сжатие. Они сфокусировались на нескольких белках, которые, как известно, активируют сигнальный путь Wnt/β-catenin, участвующий в росте клеток и поддержании «стволовости».

«Данный сигнальный путь, в основном, известен тем, что делает клетку более похожей на стволовую», — говорит Го. «Если изменить активность этого пути, то развитие рака и формирование эмбрионов будут очень отличаться. Поэтому мы подумали, что можем использовать этот путь, чтобы продемонстрировать важность скученности клеток».

Для того чтобы проверить, влияет ли сжатие клеток на путь Wnt и скорость клеточного роста, исследователи вырастили небольшие органоиды — миниатюрные органы, представляющие собой скопления клеток, собранных из кишечника мышей.

«Путь Wnt особенно важен в толстой кишке», — говорит Го, отмечая, что клетки, выстилающие кишечник человека, постоянно обновляются. По его словам, путь Wnt необходим для поддержания стволовых клеток кишечника, генерации новых клеток и обновления слизистой оболочки кишечника.

Го совместно с коллегами вырастил в нескольких чашках Петри кишечные органоиды размером около полмиллиметра, а затем «сжал» их, пропитав чашки полимерами. В органоидах, погружённых в полимер, возросло осмотическое давление и вытеснило воду из их клеток.

Команда Го заметила, что в результате специфические белки, участвующие в активации пути Wnt, были упакованы ближе друг к другу и с большей вероятностью сгруппировались, чтобы включить этот путь и активировать его гены, регулирующие рост.

Полученные результаты показали, что те органоиды, которые подверглись сжатию, выросли заметно быстрее и крупнее, с большим количеством стволовых клеток на их поверхности, чем те, что росли в обычных условиях.

«Разница была очевидна», — говорит Го. «Всякий раз, когда оказывается давление, органоиды вырастают ещё крупнее и содержат намного больше стволовых клеток».

Результаты также показали, что поведение клетки может меняться в зависимости от количества воды, которую она содержит.

«Мы получили очень общие выводы. Их потенциальное значение весьма велико, поскольку клетки могут просто регулировать необходимое им количество воды для настройки своих биологических функций», — говорит Го.

В дальнейшем он и его коллеги планируют изучить сжатие клеток как способ ускорить рост искусственных органов, которые ученые могут использовать для тестирования новых, персонализированных лекарств.