Превращения стволовых клеток зависят от механической жёсткости окружающей среды

Учёные довольно много знают о том, что заставляет стволовые клетки превращаться в те или иные типы специализированных клеток. Вместе с тем их внедрение в практическую медицину идёт не так быстро, как хотелось бы. Во многом, полагают исследователи из Пенсильванского университета (США), это связано с тем, что в лабораториях стволовые клетки изучают в условиях, которые сильно отличаются от реальных клинических. И действительно: одно дело, когда клетка растёт и дифференцируется в специальном инкубаторе, и совсем другое — когда ей нужно во что-то превратиться после пересадки в организм.

В организме клетка оказывается в окружении тканей — а значит, со всех сторон испытывает какие-то воздействия, в том числе обычные давление и растяжение. Садир Кетан и его коллеги из Пенсильванского университета решили проверить, как механические силы будут влиять на превращения мезенхимальных стволовых клеток. Этот сорт стволовых клеток обитает в костном мозге и даёт начало разным типам клеток соединительной ткани: костным, хрящевым и жировым. Учёные выращивали их в гидрогеле, полимерная сетка которого может напитываться водой и создавать трёхмерную матрицу-подложку. Гидрогель мягок и упруг (из него, например, делаются контактные линзы), но его мягкость можно менять, создавая довольно жёсткие разновидности.

Сначала исследователи высаживали стволовые клетки на двумерные гидрогелевые подложки разной жёсткости. Жёсткость субстрата, на котором клеткам приходилось жить, влияла на их дальнейшую судьбу: если гидрогель был жёстким, клетки в своём развитии шли по костному пути, если мягким — превращались в жир. То есть там, где клетки могли надёжнее схватиться за субстрат, где он служил им надёжной опорой, они предпочитали образовывать кость. Определяющим тут был характер механического взаимодействия.

Картина, однако, менялась, когда клетки выращивали не в 2D-, а в 3D-условиях. В жёстком геле стволовые клетки превращались преимущественно в жировые. Исследователи предположили, что всё дело в неподатливости геля для клеток. Тогда его модифицировали так, чтобы клетки могли разрушать связи внутри него и, следовательно, расползаться, куда им вздумается. Расчёт был такой: если клетка сможет модифицировать окружающую среду под себя, то сделает это так, чтобы ей было удобнее держаться за гель. А раз ей будет комфортнее, то она сможет превратиться в костную клетку, для которой, понятно, прочность контакта с окружением и возможность роста в нужном направлении превыше всего.

Расчёт оказался верным: превращение в кость происходило тогда, когда клетка была уверена в надёжности крепления и в том, что росту ничего не помешает. То есть когда гель был одновременно и плотным, и легко проницаемым. Исследователи сумели даже построить карту механических сил, которые испытывала стволовая клетка, что позволило восстановить картину распространения клеток по толще геля.

Более того, оказалось, что клетки корректируют свои намерения в соответствии с изменениями в окружении. Когда их сначала направляли по костному пути развития, то есть помещали в гель, который они могли размягчать, а потом вдруг создавали в геле жёсткие неразрушаемые связи, клетки сходили с костного пути превращения и становились жировыми. То есть стволовые клетки прислушиваются не только к химическим сигналам, но и к механическим, и физическая архитектура окружения для них не менее важна, чем сигнальные белки. Чего, конечно, нельзя не учитывать как в научных исследованиях, так и в клинической практике.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Materials.

Подготовлено по материалам Пенсильванского университета.