Клітини можуть відчувати середовище на відстані до 100 мікронів

Нове дослідження американських вчених розкриває механізми того, як клітини можуть відчувати середовище далеко за межами свого безпосереднього оточення. Результати роботи, опубліковані у журналі PNAS, допоможуть краще зрозуміти процеси поширення раку та визначити потенційні мішені для зупинки міграції злоякісних клітин.

Аміт Патак, професор механічної інженерії та матеріалознавства в Школі інженерії МакКелві Вашингтонського університету в Сент-Луїсі, пояснює концепцію «глибинного механосенсингу» як здатність клітин відчувати те, що знаходиться далеко від місця їх прикріплення. У попередніх дослідженнях він та його колеги виявили, що аномальні клітини з високою передньо-задньою полярністю, характерною для мігруючих клітин, можуть відчувати найбільшу глибину до десяти мікронів за межами свого прикріпленого середовища.

Частина цієї сенсорної здатності пов'язана з тим, як клітина деформує навколишній волокнистий колаген, щоб дістатися до позаклітинного матриксу та «відчути» наступний шар. Це може бути тверда пухлина, м'яка тканина або кістка, що знаходиться поруч. Одна аномальна клітина може «відчути» жорсткість позаклітинного матриксу та визначити свій шлях на основі цієї інформації.

Нове дослідження показує, що колектив епітеліальних клітин, які знаходяться на поверхні тканин, може робити те саме і навіть більше. Працюючи разом, вони можуть згенерувати достатню силу, щоб «відчути» через волокнистий колаген шар на відстані до ста мікронів. «Оскільки це колектив клітин, вони генерують більші сили», каже Патак, який є автором дослідження разом з аспірантом Хоншеном Ю.

Згідно з їхніми моделями, це відбувається у дві різні фази кластеризації та міграції клітин. Те, що ці кластеризовані клітини «відчувають», впливає на міграцію та розсіювання. Додаткова сенсорна сила ракових клітин означає, що вони можуть вийти з пухлинного середовища та уникнути виявлення, мігруючи вільно завдяки своєму посиленому відчуттю того, що попереду, навіть у м'якому середовищі.

Механізм глибинного механосенсингу базується на здатності клітин деформувати позаклітинний матрикс. Коли клітини прикріплюються до волокнистого колагену, вони можуть створювати механічні напруження, які поширюються через матрикс на значні відстані. Ці напруження дозволяють клітинам «відчувати» механічні властивості віддалених структур.

У випадку поодиноких аномальних клітин з високою передньо-задньою полярністю, ця здатність обмежена приблизно десятьма мікронами. Однак коли нормальні епітеліальні клітини працюють колективно, вони можуть генерувати набагато більші сили. Ця колективна дія дозволяє їм відчувати структури на відстані до ста мікронів, що в десять разів перевищує можливості поодиноких аномальних клітин.

Процес відбувається у дві фази. Спочатку клітини формують кластери, а потім починають мігрувати. Під час кожної з цих фаз клітини використовують свою здатність до глибинного механосенсингу для оцінки навколишнього середовища. Інформація, яку вони отримують, впливає на напрямок та швидкість їхньої міграції.

Це відкриття має важливі наслідки для розуміння поширення раку. Ракові клітини часто мають підвищену здатність до міграції, що дозволяє їм залишати первинну пухлину та утворювати метастази в інших частинах тіла. Здатність відчувати віддалені структури дає раковим клітинам значну перевагу у виборі оптимальних шляхів для міграції.

Наприклад, ракова клітина може «відчути» присутність кровоносної судини або лімфатичного каналу на відстані та направитися до них, щоб потрапити в систему кровообігу або лімфатичну систему. Це дозволяє їй уникнути імунного нагляду та поширитися по всьому організму.

Дослідники також виявили, що м'яке середовище не перешкоджає цій здатності. Навпаки, ракові клітини можуть ефективно мігрувати навіть у м'яких тканинах, використовуючи свою посилену сенсорну здатність для навігації.

Наступним кроком у дослідженні буде з'ясування точних механізмів цього процесу та ідентифікація регуляторів, які контролюють дальність сенсорної здатності клітин. Ці регулятори можуть стати потенційними мішенями для протиракової терапії.

Якщо вдасться заблокувати здатність ракових клітин «відчувати» свій шлях вперед, це може суттєво обмежити їхню здатність до поширення. Такий підхід може стати новою стратегією у боротьбі з метастазуванням раку.

Фінансування цього дослідження надали Національні інститути охорони здоров'я та Національний науковий фонд у рамках програми цивільних, механічних та виробничих інновацій. Результати роботи відкривають нові перспективи для розуміння клітинної біології та розробки інноваційних методів лікування раку.