По словам исследователей, полученные данные могут дать представление о физиологии и таких заболеваниях, как фиброз, сердечно-сосудистые заболевания и злокачественный рак.
«Сила присутствует в человеческом теле повсюду, и как внешние, так и внутренние силы могут влиять на ваше тело гораздо больше, чем вы могли подумать», – сказал руководитель исследования Нин Ван, профессор механики и инженерии в Иллинойсе. "Эти штаммы глубоко влияют на клеточное поведение и физиологические функции, которые запускаются на уровне экспрессии генов."
По словам Ванга, влияние физических сил и сигналов на клетки, ткани и органы менее изучено, чем влияние химических сигналов и реакций, однако физические силы играют важную роль в том, как клетки функционируют и реагируют на окружающую среду.
Большинство исследований, направленных на понимание механики клеток, применяют силу с помощью консольного зонда микроскопа, чтобы коснуться поверхности клетки, или сфокусированного лазерного луча, чтобы переместить крошечную частицу по поверхности. Однако эти методы могут двигаться только в одном измерении. Эта неполная картина оставляет без ответа фундаментальные вопросы, сказал Ван, например, разница в реакции на напряжение сдвига от кровотока и растяжения от кровяного давления.
Ван и его сотрудники разработали метод, который позволяет им перемещать магнитный шарик в любом направлении, давая им представление о том, как силы действуют на клетку в 3D.
Они называют это трехмерной магнитной скручивающей цитометрией.
Они обнаружили, что сила от магнитного шарика вызывает быстрое увеличение экспрессии определенных генов, но величина увеличения зависит от направления движения шарика. Когда шарик катился по длинной оси клетки, увеличение было наименьшим, но когда сила прикладывалась перпендикулярно – поперек короткой оси клетки – активность гена увеличивалась больше всего.
Когда шарик перемещали под углом 45 градусов или вращали в той же плоскости, что и ячейка, чтобы вызвать напряжение сдвига, реакция была промежуточной.
«Эти наблюдения показывают, что активация и активация генов очень чувствительны к режиму приложенной силы, когда величина силы остается неизменной», – сказал Ван.
В дальнейших экспериментах исследователи обнаружили, что причина различия заключается в способе передачи сил в ядро клетки, где находится ДНК. Клетки имеют сеть поддерживающих структур, называемых цитоскелетом, а основными элементами, несущими силу, являются длинные волокна белка актина. Когда они изгибаются под действием силы, они передают эту силу ядру и растягивают хромосомы.
Эти актиновые волокна проходят вдоль клетки. Исследователи обнаружили, что когда сила растягивает их по ширине, они деформируются сильнее, растягивая хромосомы и вызывая большую активность генов.
Они опубликовали свои выводы в журнале Nature Communications.
"Стрессовое волокно похоже на натянутую струну скрипки. Когда напряжение прикладывается к короткой оси ячейки, это похоже на то, как когда человек дергает струну скрипки вертикально от направления струны, чтобы произвести более громкий и сильный звук », – сказал Ван.
Следующим шагом исследователей будет создание моделей заболеваний, чтобы увидеть, как различные силы могут помочь объяснить механизм определенных заболеваний, и определить возможные терапевтические цели или области применения.
«При некоторых заболеваниях, таких как кальцификация аортального клапана, артериальный атеросклероз, фиброз печени или злокачественные опухоли, эти клеточные реакции и адаптация идут наперекосяк, вызывая ненормальное функционирование тканей и органов», – сказал Ван. «Это первый раз, когда был раскрыт механизм различных биологических реакций живых клеток на направление сил на уровне генов, поэтому, возможно, с нашим трехмерным подходом мы сможем лучше понять эти заболевания."