В статье, опубликованной сегодня в журнале Cell Stem Cell, исследователи показали, что физическое сжатие клеток и скопление их содержимого может привести к тому, что клетки будут расти и делиться быстрее, чем обычно.
Хотя сжимание чего-либо, чтобы заставить его расти, может показаться нелогичным, у команды есть объяснение: отжимание выжимает воду из клетки. При меньшем количестве воды для плавания белки и другие компоненты клеток упаковываются ближе друг к другу. А когда определенные белки оказываются в непосредственной близости, они могут запускать передачу сигналов в клетке и активировать гены внутри клетки.
В своем новом исследовании ученые обнаружили, что сжатие кишечных клеток запускает кластеризацию белков по определенному сигнальному пути, что может помочь клеткам поддерживать свое состояние стволовых клеток, недифференцированное состояние, в котором они могут быстро расти и делиться на более специализированные клетки. Мин Го, доцент кафедры машиностроения в Массачусетском технологическом институте, говорит, что если клетки можно просто сжать для обеспечения их «стволовости», то их можно будет направить на быстрое создание миниатюрных органов, таких как искусственный кишечник или толстая кишка, которые затем можно будет использовать. в качестве платформ для понимания функций органов и тестирования кандидатов в лекарства от различных заболеваний, и даже в качестве трансплантатов для регенеративной медицины.
Соавторы Го – ведущие авторы Ивэй Ли, Цзилян Ху и Циронг Линь из Массачусетского технологического института, а также Маоронг Чен, Рен Шэн и Си Хэ из Бостонской детской больницы.
Упаковано в
Чтобы изучить влияние сдавливания на клетки, исследователи смешали различные типы клеток в растворах, которые затвердели в виде резиноподобных пластин гидрогеля. Чтобы сжать клетки, они помещали на поверхность гидрогеля гири в виде четверти или десятицентовика.
«Мы хотели добиться значительного изменения размера ячейки, и эти два веса могут сжать ячейку примерно на 10–30 процентов от их общего объема», – объясняет Гуо.
Команда использовала конфокальный микроскоп, чтобы измерить в 3D, как формы отдельных клеток менялись при сжатии каждого образца. Как и ожидалось, клетки сжались от давления.
Но влияет ли сжатие на содержимое ячейки?? Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи сначала посмотрели, изменилось ли содержание воды в клетке. Если отжимание выжимает воду из клетки, исследователи пришли к выводу, что клетки должны быть менее гидратированы и в результате стать более жесткими.
Они измерили жесткость клеток до и после применения весов, используя оптический пинцет, лазерную технику, которую лаборатория Гуо применяла в течение многих лет для изучения взаимодействия внутри клеток, и обнаружили, что действительно клетки становились жесткими под давлением.
Они также увидели, что внутри сдавленных ячеек было меньше движения, что позволяет предположить, что их содержимое было более упаковано, чем обычно.
Затем они посмотрели, произошли ли изменения во взаимодействиях между определенными белками в клетках в ответ на сжатие клеток. Они сосредоточились на нескольких белках, которые, как известно, запускают Wnt /?-передача сигналов катенина, который участвует в росте клеток и поддержании «стволовости»."
«В общем, известно, что этот путь делает клетку более похожей на стволовую», – говорит Го. "Если вы измените активность этого пути, выяснилось, что то, как прогрессирует рак и как развиваются эмбрионы, будет сильно отличаться.
Поэтому мы подумали, что можем использовать этот путь, чтобы продемонстрировать важность скученности клеток."
«Освежающий» путь
Чтобы увидеть, влияет ли сжатие клеток на путь Wnt и насколько быстро клетки растут, исследователи вырастили небольшие органоиды – миниатюрные органы, и в данном случае скопления клеток, которые были собраны из кишечника мышей.
«Путь Wnt особенно важен в толстой кишке», – говорит Гуо, указывая на то, что клетки, выстилающие кишечник человека, постоянно пополняются.
По его словам, путь Wnt необходим для поддержания стволовых клеток кишечника, генерации новых клеток и «обновления» слизистой оболочки кишечника.
Он и его коллеги вырастили кишечные органоиды, каждый размером около полмиллиметра, в нескольких чашках Петри, а затем «сжали» органоиды, пропитав чашки полимерами. Этот приток полимеров увеличивал осмотическое давление, окружающее каждый органоид, и вытеснял воду из их клеток. Команда 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 его гены, регулирующие рост.
Результат: те органоиды, которые были сдавлены, на самом деле росли больше и быстрее, с большим количеством стволовых клеток на их поверхности, чем те, которые не были сдавлены.
«Разница была очевидна», – говорит Гуо. "Всякий раз, когда вы оказываете давление, органоиды становятся еще больше, с гораздо большим количеством стволовых клеток."
Он говорит, что результаты демонстрируют, как сжатие может повлиять на рост органоидов. Результаты также показывают, что поведение клетки может меняться в зависимости от количества воды, которую она содержит.
«Это очень общий и широкий подход, и потенциальное воздействие очень велико, так как клетки могут просто настроить, сколько воды им нужно, чтобы настроить свои биологические последствия», – 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.
«Я мог бы взять свои собственные клетки и трансфицировать их, чтобы получить стволовые клетки, которые затем можно было бы превратить в органоид легких или кишечника, который имитировал бы мои собственные органы», – говорит Го. "Затем я мог бы применить разное давление, чтобы получить органоиды разного размера, а затем попробовать разные лекарства. Я полагаю, было бы много возможностей."
Это исследование частично поддержано Национальным институтом рака и Институтом Альфреда П. Фонд Слоуна.