В механобиологии сила клеток считалась важным критерием для правильного функционирования, включая быструю миграцию. Группа исследователей из Школы инженерии МакКелви Вашингтонского университета в Сент-Луисе обнаружила, что клетки могут генерировать и использовать меньшую силу, но двигаться быстрее, чем клетки, генерирующие и использующие большие силы, что ставит под сомнение давние предположения о клеточной механике.
Лаборатория Амита Патхака, профессора механической инженерии и материаловедения, обнаружила, что группы клеток двигались быстрее с меньшей силой, когда они прилипали к мягким поверхностям с выровненными коллагеновыми волокнами. Традиционно считалось, что клетки должны постоянно генерировать силы, чтобы преодолевать трение и сопротивление в своей среде. Однако эта традиционная необходимость в силах может быть снижена в благоприятных условиях, таких как выровненные волокна. Их результаты, опубликованные в PLOS Computational Biology 9 января 2025 года, представляют собой первое доказательство этого явления в коллективной миграции клеток.
Патхак и члены его лаборатории отслеживали движение человеческих молочных эпителиальных клеток в течение многих лет, устанавливая, что клетки движутся быстрее по жестким жестким поверхностям, чем по мягким, где они склонны застревать. Последствия этого исследования касаются метастазирования рака и заживления ран.
В новом исследовании они обнаружили, что клетки мигрировали более чем на 50% быстрее по выровненным коллагеновым волокнам, чем по случайным волокнам. Кроме того, они обнаружили, что клетки использовали выровненные волокна в качестве направляющих сигналов для управления своей миграцией к расширению своей группы.
«Мы задали вопрос, если вы применяете силу, и нет трения, могут ли клетки продолжать двигаться быстро, не генерируя больше силы?» - сказал Патхак. «Мы поняли, что это, вероятно, зависит от окружающей среды. Мы думали, что они будут быстрее на выровненных волокнах, как на железнодорожных путях, но что удивительно, так это то, что они на самом деле генерировали меньшие силы и все равно двигались быстрее.»
Амрит Багчи, который получил докторскую степень в области механической инженерии в McKelvey Engineering в 2022 году в лаборатории Патхака и сейчас является постдокторантом в Центре механобиологии инженерии при Университете Пенсильвании, приложил много усилий для подготовки исследования. Багчи создал мягкий гидрогель в лаборатории Маркуса Фостона, доцента кафедры энергетики, окружающей среды и химической инженерии, в течение нескольких месяцев во время пандемии COVID-19, затем выровнял волокна с помощью специального магнита в Школе медицины, прежде чем разместить клетки на нем для отслеживания их движения.
Багчи разработал многослойную модель двигателя-сцепления, в которой механизмы генерации силы в клетках действуют как двигатель, а сцепление обеспечивает сцепление для клеток. Багчи искусно адаптировал модель для коллективных клеток, используя три слоя: один для клеток, один для коллагеновых волокон и один для кастомного геля внизу, которые все взаимодействовали друг с другом.
«Хотя экспериментальные результаты изначально удивили нас, они стали стимулом для разработки теоретической модели, чтобы объяснить физику этого контринтуитивного поведения», - сказал Багчи. «Со временем мы поняли, что клетки используют выровненные волокна как прокси для испытания сил трения таким образом, который значительно отличается от случайных волокон. Концепция механосенсорики и передачи матрицы в нашей модели также предсказывает другие известные поведения коллективной миграции, такие как хаптотаксис и дуротаксис, предлагая единый каркас для ученых для исследования и потенциального расширения на другие интересные фенотипы клеточной миграции.»