Клетки человека собираются в кластеры

Древовидные ветвящиеся структуры повсюду в человеческом теле, от бронхиальной системы в легких до паутинных капилляров, которые снабжают кровью конечности. Исследователи долго работали над пониманием клеточной сигнализации, необходимой для построения этих сложных структур, но новые исследования показывают, что простая физика может играть недооцененную роль.

Исследование, опубликованное в Трудах Национальной академии наук, показывает, что при определенных обстоятельствах эпителиальные клетки человека ведут себя в соответствии с правилами диффузионно-ограниченной агрегации, теорией, объясняющей самосборку частиц, взвешенных в жидкости. Исследование показало, что клетки, культивируемые при разреженных плотностях и низких количествах фактора роста, образуют фракталоподобные ветвящиеся кластеры. Фракталы (структуры, в которых крошечные подразделы выглядят так же, как целое) имеют почти точные размеры, предсказанные диффузионно-ограниченной агрегацией.

"Что для меня удивительно, так это то, что у вас есть эта элегантная физическая теория, которая описывает скопление липких частиц, движущихся случайным образом, а также объясняет поведение мигрирующих клеток", - сказал Ян Й. Вонг, доцент Инженерной школы Университета Брауна и старший автор статьи. "На самом деле клетки - это сложные объекты со многими способами отправки и приема сигналов, но в данном случае они, похоже, следуют тем же правилам, что и гораздо более простые, неживые частицы".

Полученные результаты могут дать представление о формировании ветвящихся структур в организме, а также о других ключевых биологических процессах, сказала Сьюзан Э. Леггетт, в настоящее время аспирант Принстонского университета и ведущий автор исследования.

"Мы думаем, что это может потенциально рассказать нам кое-что о формировании тканей, заживлении ран, инвазии рака и других процессах, в которых движущиеся клетки организуются в многоклеточные ткани", - сказал Леггетт, который выполнял работу в качестве доктора философии. студент патобиологии в Брауне.

Когда она начала исследование, Леггетт на самом деле думала совсем о другом вопросе. Она хотела узнать больше о том, как ведут себя клетки, когда они сами по себе, вдали от влияния своих соседей. Ее интересует процесс, известный как эпителиально-мезенхимальный переход (EMT), при котором сгруппированные эпителиальные клетки превращаются в более подвижные мезенхимальные клетки. Переход, как правило, происходит, когда клетки изолированы друг от друга.

"Моей первоначальной мотивацией для посева клеток в этих условиях с низким фактором роста было поддерживать их в среде с низкой плотностью, чтобы мы могли изучать EMT", - сказал Леггетт. "Мы не ожидали, что клетки подвергнутся такой агрегации, которая является почти обратным процессом".

Клетки в культурах с низкой плотностью перемещались случайным образом, пока не вступали в контакт с другой клеткой, после чего клетки слипались и перестали двигаться. В течение нескольких дней сгруппированные клетки собирались в длинные ветвеобразные структуры, которые "поразительно напоминали фракталоподобные структуры, связанные с диффузионно-ограниченной агрегацией", - пишут исследователи.

Дальнейший анализ показал, что фрактальная размерность кластеров клеток (мера того, насколько плотно упакованы ветви) составила около 1,7, что в точности соответствует фрактальной размерности, измеренной экспериментально и предсказанной теоретически для диффузионно-ограниченной агрегации частиц.

По словам исследователей, тот факт, что клетки образуют структуры, столь похожие на структуры неживой материи, может быть полезен для понимания того, как и почему разветвленные архитектуры так заметны в биологии.

"Улучшенное понимание этого коллективного поведения может в дальнейшем позволить новым правилам проектирования для программирования клеток для сборки в более крупные тканевые архитектуры", - сказал Вонг.