«Клітини чують»: Як звук впливає на гени та дозрівання жиру

Мабуть, кожному знайоме це відчуття — коли стоїш біля літака, що злітає, або потужних колонок на концерті, звук настільки всеохоплюючий, що здається, ніби він пронизує усе їство. У такі моменти звук сприймається не лише слухом та мозком. Як свідчить нове дослідження, проведене вченими з Кіотського університету, наші окремі клітини також можуть «чути» і реагувати на звукові хвилі.

З фізичного погляду, звук — це відносно просте явище. Це механічні хвилі стиснення, що поширюються через різні середовища (повітря, воду, тверді тіла) і є універсальними у нерівноважному матеріальному світі. Для живих істот звук є життєво важливим джерелом інформації про навколишнє середовище, що дозволяє орієнтуватися, спілкуватися та уникати небезпеки. Однак здатність звуку викликати фізіологічні реакції безпосередньо на клітинному рівні, поза межами спеціалізованих органів слуху, лише починає привертати увагу науковців та розкривати свої таємниці.

Спираючись на свої попередні роботи, опубліковані ще у 2018 році, та натхненні досягненнями в галузі механобіології (науки про те, як клітини відчувають фізичні сили та реагують на них) і дослідженнями звукопровідності тіла (вивченням звукового середовища всередині тканин організму), команда дослідників з Кіотського університету висунула гіпотезу. Вони припустили, що акустичний тиск, створюваний звуковими хвилями, може бути достатнім, щоб викликати певні реакції на рівні окремих клітин. Це відкриває абсолютно новий погляд на взаємодію живих систем зі звуковим середовищем.

«Щоб дослідити вплив звуку на клітинну активність, ми розробили спеціальну систему, яка дозволяє „купати“ культивовані клітини в акустичних хвилях», — розповідає Масахіро Кумета, керівник дослідження та відповідний автор статті.

Результати цієї новаторської роботи були опубліковані в науковому журналі Communications Biology.

Експериментальна установка була розроблена з особливою ретельністю. Дослідники закріпили вібраційний перетворювач (пристрій, що перетворює електричний сигнал на механічні коливання) догори дном на полиці над лабораторним посудом. Використовуючи цифровий аудіоплеєр, підключений до підсилювача, вони надсилали звукові сигнали на цей перетворювач. Вібрації від перетворювача передавалися на спеціальну діафрагму, прикріплену до чашки Петрі з культурою клітин. Така конструкція дозволила вченим генерувати контрольований акустичний тиск безпосередньо в поживному середовищі, де знаходились клітини, імітуючи умови, близькі до фізіологічного звукового середовища всередині живого організму. Важливо було переконатися, що на клітини діє саме акустичний тиск, а не інші можливі фактори.

Після експериментів зі звуковою стимуляцією команда ретельно проаналізувала її вплив на клітини, використовуючи цілий арсенал сучасних біологічних методів. Секвенування РНК (RNA-seq) дозволило виявити зміни в активності (експресії) тисяч генів. Світлова та флуоресцентна мікроскопія дала змогу візуалізувати зміни у структурі та поведінці клітин. Інші біохімічні та молекулярно-біологічні методи допомогли деталізувати механізми клітинних реакцій.

Отримані результати однозначно підтвердили, що клітини реагують на акустичну стимуляцію в чутному діапазоні частот. Це не просто пасивне перебування у вібруючому середовищі — клітини активно змінювали свою біологічну активність у відповідь на звук.

Особливо значущим виявився вплив звуку на процес диференціації адипоцитів. Це процес, під час якого клітини-попередники, так звані преадипоцити, перетворюються на зрілі жирові клітини (адипоцити), що накопичують жир. Дослідники виявили, що звукова стимуляція суттєво пригнічувала цей процес. Це відкриття є надзвичайно цікавим, оскільки воно вказує на потенційну можливість використання акустичних хвиль для контролю стану клітин і тканин, зокрема, для впливу на процеси, пов'язані з накопиченням жиру та метаболізмом.

«Оскільки звук є нематеріальним явищем, акустична стимуляція є інструментом неінвазивним, безпечним та таким, що діє миттєво. Ймовірно, це принесе користь медицині та охороні здоров'я», — вважає Кумета. Неінвазивність означає відсутність необхідності хірургічного втручання чи введення хімічних препаратів, що значно знижує ризики для пацієнта та розширює можливості застосування.

У ході дослідження команда також ідентифікувала близько 190 генів, експресія яких змінювалася під впливом звуку, тобто ці гени виявилися «звукочутливими». Подальше вивчення функцій цих генів може допомогти розшифрувати молекулярні механізми сприйняття звуку клітинами. Крім того, вчені відзначили вплив звуку на активність клітинної адгезії — процесу, завдяки якому клітини з'єднуються одна з одною та з позаклітинним матриксом, що є фундаментальним для формування та підтримки тканин. Також було зроблено спостереження щодо субклітинних механізмів передачі звукових сигналів всередині клітини, хоча деталі цих механізмів ще потребують подальшого вивчення.

Це дослідження надає переконливі докази сприйняття звуку на клітинному рівні, що саме по собі є важливим фундаментальним відкриттям. Але воно також кидає виклик традиційній концепції сприйняття звуку живими істотами, яка досі обмежувалася роллю спеціалізованих рецепторних органів (як вуха) та центральної нервової системи (мозку). Виявляється, здатність реагувати на звукові вібрації закладена на більш фундаментальному, клітинному рівні організації життя. Наші клітини, можливо, не «чують» звук у тому ж сенсі, як ми чуємо його вухами, але вони однозначно відчувають механічний вплив звукових хвиль і реагують на нього зміною своєї біологічної активності.

Це відкриття може мати далекосяжні наслідки. Розуміння того, як саме клітини сприймають звук і як це впливає на їхню функцію, може призвести до розробки нових терапевтичних підходів, заснованих на використанні звуку. Можливо, в майбутньому звук можна буде використовувати для стимуляції регенерації тканин, боротьби з ожирінням шляхом контролю диференціації жирових клітин, або навіть для лікування інших захворювань шляхом модулювання активності специфічних генів чи клітинних процесів. Попереду ще багато досліджень для детального вивчення цих можливостей, але робота вчених з Кіото відкриває захоплюючу нову главу у вивченні фундаментального зв'язку між життям і звуком.