Начиная с середины XIX и вплоть до второй половины XX века клеточная цитоплазма считалась слабоструктурированным гелевым мешком.
Позднее было доказано, что внутренняя структура цитоплазмы клеток включает каркас из молекулярных микрофиламентов, микротрубочек и промежуточных филаментов, которые назвали цитоскелетом.
Д. Ингбер доказал, что цитоскелет клеток работает по принципу тенсегрити-каркаса, который механически связывает вместе различные части клетки и влияет на ее форму и функции (рис. 5.1) (Ingber et al., 2014). Ингбер, занимаясь культивацией клеток, старался воспроизвести их динамическое поведение. Он начал с создания простой тенсегрити-модели, которую он впоследствии усложнил, дополнительно внедрив в нее еще одну тенсегрити-модель для отображения механики клеточного ядра. Иначе говоря, соединив две тенсегрити-модели разного уровня и масштаба путем связывания меньшей ядерной модели с большей внешней моделью, он задал минимально возможную структурную гетерархию (рис. 5.2).
Рис. 5.1. Эндотелиальные клетки бычьей легочной артерии, демонстрирующие цитоскелет с его многочисленными микротрубочками (зеленые), простирающимися от середины клетки кнаружи, и более тонкие микрофиламенты и пучки актина (красные) (Википедия)
Надавливание вниз или вытяжение в противоположные стороны заставляло внутреннее ядро менять форму, следуя за внешними изменениями. Точно такое же динамически совпадающее поведение демонстрируют и живые клетки!
Уже твердо установлено (Ингбером и другими исследователями), что цитоскелет действительно соединяет внешний кортикальный слой клетки с ядром и механически действует подобно тенсегрити-модели (Wang et al., 2009).
Более того, динамическое поведение клеток не ограничивается лишь базовым тенсегрити-поведением, а наблюдаются и более сложные взаимодействия из тенсегрити-геометрий, которые мы рассмотрели в главе 2.
Рис. 5.2. Клеточная модель Д. Ингбера. Более крупный тенсегрити-икосаэдр (т-икосаэдр), соединенный с меньшим внутри (красным), показывает, каким образом изменения формы влияют на них обоих. (© Рори Джеймс)
Кортикальный слой
Бурное развитие электронной микроскопии в последние 20–30 лет привело к тому, что теперь у нас есть непосредственное структурное представление о самых малых элементах строения клетки.
Благодаря электронной микроскопии выяснилось, что внешняя кортикальная часть цитоскелета расположена непосредственно под липидной мембраной и имеет важное значение благодаря той роли, которую она выполняет в механической стабилизации как клеток, так и тканей (Salbreux et al., 2012). Она в значительной степени состоит из нитей спектрина, прикрепленных к анкирину (от английского anchor — якорь) в липидной мембране и связанных с пучками актина, которые расположены прямо под ней. Вместе они образуют легко узнаваемые геометрические структуры, которые включают в себя трехгранники, шестигранники и другие паттерны (рис. 5.3) (Machnicka et al., 2014). Кроме того, кортикальный слой клетки имеет связи с гликокаликсом внешней поверхности клетки посредством сложной белковой, напоминающей щетку сети, которая действует как молекулярное сито и тоже обладает упорядоченной периодической структурой (Squire et al., 2001; Wang & Widlansky, 2012).
Рис. 5.3. (А) Геодезическая организация пучков актина в кортикальном цитоскелете эндотелиальной клетки человека in vivo. (Предоставлено © Дональд Э. Ингбер). (B) триангулированные шестиугольники между волокнами спектрина, анкирином и пучками актина в кортикальном слое эндотелиальных клеток (не в масштабе) (согласно Weinbaum et al., 2003)
Рис. 5.4. Схематичное изображение актиновых протофиламентов, в комплексе подвешивания — триангулированной сети спектриновых волокон, прикрепленных к анкирину в липидной мембране эритроцита. Каждый актиновый протофиламент можно сравнить со ступицей велосипедного колеса Тенсегрити (по Zhu et. al., 2007)
Спектрин также соединяет короткие протофиламенты актина, расположенные в центре комплекса подвешивания, где волокна спектрина находятся под действием натяжения, а протофибриллы актина — под действием компрессии (рис. 5.4), напоминая спицы и ступицу велосипедного колеса тенсегрити, описанного ранее (рис. 1.9). Считается, что в эритроцитах этот тенсегритиподобный комплекс подвешивания способствует действию динамического механизма, который облегчает газообмен крови, проходящей через клеточную мембрану.
Этот механизм работает достаточно простым образом, но суммарный масштаб поражает воображение (напомним, что в 1 мм3 крови около 5 млн эритроцитов). Каждый из эритроцитов при просачивании через капилляры сначала деформируется, а потом как бы выжимается подобно губке (de Oliveira et al., 2010). Эта губка работает как раз благодаря комплексам подвешивания, которых в каждом эритроците около 33 000 и все они являются частью высокочастотного икосаэдра, который окружает клетку и соединяется с внутренним цитоскелетом, причем около 85 % из этих элементов выглядят как шестиугольники, 3 % — как пятиугольники и 8 % — семиугольники, что в очередной раз указывает на центральную роль симметрии шестиугольника (±1) в структурной организации природы (Gibson et al., 2006) (рис. 2.4).
Таким образом, благодаря электронной микроскопии то, что раньше считалось бесформенным и непонятным, сейчас обрело конкретную физическую структуру и, как оказалось, эта физическая структура в большей мере совпадает с тенсегрити-организацией (геометрией).
Регулирование клетки
Различные компоненты внутреннего цитоскелета связаны таким образом, что натяжные микрофиламенты уравновешиваются компрессионными микротрубочками, и все вместе они соединены натяжными промежуточными филаментами (Iwatsuki & Suda, 2010; Munjal & Lecuit, 2014). За счет такой тенсегритиподобной геометрии даже несмотря на то, что микротрубочки могут быть изогнуты и ориентированы в разных направлениях, промежуточные филаменты позволяют поддерживать общую структурную целостность (Mehrbod & Mofrad, 2011). При этом внутренняя часть ядра клетки также имеет собственный скелет: он состоит из микроволокон, которые связывают внешний цитоскелет с хромосомами и другими структурными белками и отвечают за организацию их функций (Wang et al., 2009; Mammoto et al. 2012).
Фибромолекулы — часть динамической структуры, которая в ответ на действие механических сил способна к структурной перестройке на ходу путем сборки, разборки и пересборки составных фибромолекул. Это позволяет живой системе легко адаптироваться к изменениям в окружающей среде и поддерживать так называемый механический гомеостаз (Tan et al., 2016).
Натяжение в общей системе микрофиламентов и микротрубочек поддерживается путем фоновой работы актино-миозиновых моторов, которые действуют как стяжные муфты (стяжки) при затягивании микрофиламентов (Martin & Goldstein, 2014) и полимеризации микротрубочек (Tolić-Nørrelykke, 2008).
При этом любое изменение силы натяжения в одной из частей структуры приводит к тому, что цитоскелет адаптируется путем изменения формы всей клетки. Такая динамическая взаимосвязь в очередной раз указывает на определяющий характер тенсегрити-геометрии на клеточном и внутриклеточном уровнях.
Эта внутриклеточная фиброрешетка также обеспечивает огромную площадь поверхности для прикрепления ферментов и их субстратов и выступает посредником в таких важнейших метаболических функциях, как гликолиз, транскрипция мессенджера РНК и синтез белка (рис. 5.5). Кроме того, эта внутриклеточная решетка цитоплазматического уровня непрерывно механически соединена с внутренним каркасом ядра клетки, имеющим тонкую фибростуктуру. Такая непрерывность обеспечивает участие фиброрешетки цитоплазматического уровня в самых глубоких внутриклеточных процессах, таких как транскрипции и репликации ДНК (Mammoto et al., 2012). Некоторые из продуктов этой деятельности затем транспортируются в другие части клетки с помощью кинезиновых и динеиновых моторов, которые способны «гулять» вдоль микротрубочек (Tolić-Nørrelykke, 2008).
Таким образом, современная клеточная механобиология убедительно доказывает, что механические изменения в натяжении цитоскелета и в форме клетки способны быстро изменять клеточную биохимию и выполнять переключение между различными функциональными состояниями, такими как рост, дифференциация, движение и апоптоз (запрограммированная гибель клеток) (Ingber et al., 2014).
Рис. 5.5. Схема, показывающая, как силы натяжения могут передаваться между внутренним цитоскелетом и окружающим внеклеточным матриксом (ВКМ) и стимулировать активность ферментных сигнальных каскадов, которые влияют на функциональную активность клеток (не в масштабе). Обратите внимание, что для наглядности кортикальный слой клетки не изображен.
Важно подчеркнуть, что механическая адаптивность клеток является критически важной для их выживания.
Для доказательства этого были проведены эксперименты, позволившие отдельным клеткам принимать различные формы за счет культивирования их на специально подготовленных адгезивных островках из кругов, квадратов и треугольников. Эти эксперименты показали, что те клетки, которые были способны деформироваться или расползаться, имели самые высокие темпы роста; округлые клетки становились апоптическими и погибали; а промежуточные по форме клетки превращались в неподвижные и дифференцированные (Parker et al., 2002). Также клетки имели тенденцию создавать новые подвижные ответвления, такие как ламеллоподии и филоподии, на острых, а не на тупых, углах (рис. 5.6).
Рис. 5.6. При выращивании на адгезивных островках различной формы (обозначена пунктиром) эндотелиальные клетки преимущественно распространяют клеточные отростки от острых углов (по Parker et al., 2002)
Тенсегрити-организация клеточной структуры, способствующая всем этим функциональным изменениям, была особенно хорошо и подробно описана для ранних эмбриональных клеток амфибий. Однако, как доказывают работы Д. Ингбера, тенсегрити-принцип универсален для механобиологии клеток не только в частном случае амфибий, но и в общем случае.
Сплиттер представляет собой временную (врЕменную) область цитоскелета, которая появляется на апикальном конце эпителиальных клеток и состоит из кольца микрофиламентов и промежуточного пучка волокон, периферию которых связывает слой микротрубочек (Gordon & Gordon, 2016; 2017) (рис. 5.7).
Механодинамика работы клетки определяется включением нескольких типов внутриклеточных моторов, работающих в разных режимах.
Миозиновые моторы вызывают сжатие и утолщение кольца микрофиламентов и вытягиванию его вершины, а полимеризация и другие моторы, наоборот, способствует тому, что слой микротрубочек расширяет и истончает это кольцо.
Рис. 5.7. Эпителиальные клетки, показывающие сплиттер (разделитель) клеточного состояния как тенсегрити-структуру. (A) Кольца микрофиламента (красное) и микротрубочки (зеленое) удерживаются промежуточными филаментами (синие) в равновесии между двумя бистабильными состояниями. (B) Утолщенное кольцо микрофиламента сжимает апикальный конец и инициирует волну дифференцировки, которая проходит между соседними клетками и изменяет их функцию (не в масштабе). (Перерисовано из Gordon and Gordon, 2016).
Для объяснения такого динамического поведения было высказано предположение, что эти два противоположных (разнонаправленных) состояния удерживаются в равновесии благодаря тонко сбалансированной тенсегрити-конфигурации промежуточных филаментов. Нарушение этого баланса каким-либо другим биохимическим или механическим сигналом может привести к тому, что система склонится либо к одному, либо к другому из этих функциональных паттернов, способствуя или быстрому расширению или, наоборот, быстрому сжатию кольца и его вершины. В свою очередь, такой выбор состояния расширения или состояния сжатия инициирует следующую волну дифференциации, распространяющуюся на соседние клетки (за несколько минут) и переключающую их функции.
Роль промежуточных филаментов состоит в том, чтобы регулировать избыточную чувствительность рецепторов и предотвращать нежелательные возмущения, которые может вызвать непреднамеренный запуск этого регуляционного механизма.
Технически такая ситуация называется бистабильной и требует именно структурно-механического, а не сигнального (биохимического) контроля, поскольку только структурное воплощение обеспечивает достаточный буфер и резервуар стабилизации. (Поскольку биохимическая регуляция слишком неточна и волатильна для такой задачи).
Механических систем, способных обеспечивать подобную бистабильность и сочетать наличие резервуара устойчивости к нежелательных возмущениям с достаточной чувствительностью в случае необходимости, не так много. Из них тенсегрити-структура (даже простейшего вида «стержни-струны») демонстрирует такую бистабильность в наиболее наглядном и экономичном виде (Micheletti, 2013; Zhang et al., 2016).
Таким образом, сплиттер (разделитель), описанный выше, играет важную роль в определении функций и поведения групп эпителиальных клеток во время эмбриогенеза (амфибий). Несмотря на то что он пока не описан у людей, наиболее вероятно, что все виды животных используют сходный механизм. Такая уверенность основана на том, что наши предки имеют общую родословную, а функциональная ценность актина и миозина в создании апикального сужения и мембранных волн, необходимых для клеточных дифференциаций, уже была продемонстрирована у других видов (Munjal & Lecuit, 2014).
Цитоскелет особенно интересен с точки зрения биотенсегрити всего тела, поскольку эта многофункциональная структура, которая влияет на форму клетки и положение ее органелл, а также активирует множество внутриклеточных сигнальных каскадов и имеет связи с другими клетками и тканями (Ingber, 2006a; Mammoto и др., 2012). Различные микроволокна соединяются с другими клетками и окружающим внеклеточным матриксом (ВКМ) через адгезивные молекулы, пересекающие клеточную мембрану, такие как интегрины, кадгерины, десмосомы и непроницаемые перегородки (рис. 5.5).
Далее эти трансмембранные белки создают механическую связь, которая передает натяжение, создаваемое в цитоскелете, во внеклеточный матрикс (ВКМ) и в соседние клетки, изменяя их внешнюю форму. Поскольку между цитоскелетом клетки, ее мембраной и трансмембранной связью существует внутреннее натяжение (самонатяжение/самонапряжение), то изменение натяжения внешнего ВКМ — за пределами клеточных мембран — ощущается клетками — внутри себя, внутри клеточных мембран! В свою очередь, такое ощущение измененного натяжения внутри клеток запускает в них перестройку структуры цитоскелета, приводя к изменениям как клеточной формы, так и клеточной функции (Ladoux & Nicolas, 2012; Piotrowski-Daspit et al., 2017).
Эта способность внешних и внутренних механических сил изменять активность метаболических ферментов и их субстратов (включая ДНК) осуществляется посредством процесса, известного как механотрансдукция, в ходе которого механические воздействия преобразуются в химические адаптации/сигналы (Wang et al., 2009; DuFort et al., 2011).
Мы не ожидаем, что большинство наших читателей назубок знают биохимическую и клеточную терминологию. Очевидно, что это сотни терминов, которые в полном объеме входят в лексикон только у профильных специалистов.
Цель наших экскурсов в нюансы клеточной и молекулярной биологии достаточно проста и практична.
Во-первых, показать даже самые тонкие уровни клеточной регуляции, которые мы привыкли считать исключительно биохимическими, то есть относящимися к уровню невидимого глазом, неразличимого наощупь (измеряется в микронах) и исключительно химического взаимодействия молекул, на самом деле напрямую зависят от внешних биомеханических факторов.
Во-вторых, мы хотим проинформировать читателя о том, что современная наука наглядно доказала, что механические взаимодействия и факторы макроуровня — повседневного человеческого масштаба — на уровне метров, сантиметров и миллиметров, непосредственно передаются на самый скрытый и далекий от восприятия микроуровень — микро— и даже нанометров через каскад механических передатчиков. Именно поэтому мы предлагаем читателю обратить особое внимание на разделы этой главы, посвященные биомеханике взаимодействия между общеорганизменным внеклеточным матриксом (ВКМ) и отдельными группами и типами клеток.
Как мы только что говорили, связь между общеорганизменным ВКМ и клетками — это доказанный факт. Клетки ощущают механические адаптации ВКМ и реагируют на них, изменяя сначала свою внутреннюю биомеханику (цито-механику), а только затем уже подстраивая свою биохимию!
Это радикальное, революционное осознание, которое полностью меняет доминировавшую в XX веке биохимическую позицию: биохимия первична, а биомеханика — это так, вторичная адаптация.
Именно из этой глубоко укорененной парадигмы и безотчетной веры в биохимию вытекали очень странные клинические решения, возникшие в XX веке и во многом не изменившиеся сегодня.
Что, например, для излечения боли в спине — первично биомеханического феномена, который возникает в ответ на внешние механические воздействия макромасштаба (метров, сантиметров и миллиметров), вызывающие биомеханические тканевые отклики высоких производных транзиентности, можно всерьез рассматривать медикаментозные методы терапии (лекарства, мази и т. д.), то есть биохимические воздействия уровня микрометров. Понимание первичности биомеханических воздействий и вторичности биохимических адаптаций наглядно показывает не просто безнадежность и бесперспективность медикаментозного подхода к биомеханическим заболеваниям, но и его парадоксальность, и даже абсурдность.
Давайте рассмотрим подробнее, какова биомеханика взаимодействия между общеорганизменным внеклеточным матриксом (ВКМ) — большой общеорганизменный масштаб, переходящий в региональные, локальные и малые масштабы расстояний и транзиентов (от секунд до микросекунд), и отдельными группами и типами клеток — сверхмалый масштаб расстояний и транзиентов (от миллисекунд до наносекунд).
Интегрины — это самые настоящие трансмембранные тензометрические датчики, которые реагируют на изменения натяжения с обеих сторон мембраны — изнутри клетки, и извне клетки — во внеклеточном матриксе (ВКМ) (De Santis et al., 2011). Их активация способствует связыванию других белков, которые соединяют их с сократительными пучками актина, расположенными на внешней кортикальной («поверхностной») части цитоскелета, и вносят свой вклад в работу специализированного комплекса, называемого фокальным контактом (рис. 5.5). Присоединение молекул ВКМ (например, фибронектина) к конкретным интегринам — события, происходящие вне клетки, вызывает изменение натяжения актина в цитоскелете — события, происходящие внутри клетки, и тем самым стимулирует привлечение большего количества белков фокального контакта в ту же область, где они вместе распределяют нагрузку (Ladoux & Nicolas, 2012).
Эти изменения в натяжении цитоскелета (внутри клетки) могут затем возвращаться во внеклеточный матрикс (за пределы клетки, в ВКМ) в виде обратной связи, вызывая разворачивание, или фибриллогенез, молекулы фибронектина и влияя на сборку молекул коллагена (Weinberg et al., 2017). При этом геометрическое пространство, занимаемое фибронектином снаружи мембраны, пропорционально тому пространству, которое занимают актиновые пучки в цитоскелете внутри мембраны (Pompe et al., 2005)!
Благодаря этому клетка способна поддерживать прямой регуляторный контроль над морфогенезом коллагена вокруг себя, то есть поддержанием и подстройкой под себя примыкающих к ней регионов внеклеточного матрикса (ВКМ). Но, с другой стороны, и наоборот, биомеханическая и биохимическая активность в ВКМ, окружающем клетку, является источником прямого контроля морфогенеза (структурной адаптации) внутри клетки (Mouw et al., 2014).
В результате мы наблюдаем два как бы конкурентных процесса — своего рода перетягивание каната между клеткой и окружающим ее внеклеточным матриксом — кто из них важнее для структурной адаптации к внешним и внутренним условиям; кто навяжет свои условия; кто победит.
Конечно же, на самом деле это не конкурентное, а кооперативное взаимодействие! Это своего рода двойная проверка на точность адаптации, двойная возможность поддержки и компенсации при микротравме или дефиците веществ, двойная возможность получить передышку на структурную перестройку, детоксикацию и т. д.
Такая способность связывать внутреннее с внешним крайне важна для живых организмов на всех уровнях, поскольку она позволяет обрабатывать механические силы и информацию в рамках одного модульного объекта (ядра, клетки, волокна, ткани) как части нормальной функции и затем передавать их через так называемую границу, влияя на поведение других модулей (Huang et al., 2006).
Таким образом, в свете современных данных о том, насколько велики взаимосвязи между внутренним и внешним, сама идея границ как конкретных структур, отделяющих один регион от другого, в биологии достаточно сомнительна. В реальности, которую мы смогли увидеть только в последние 10–15–20 лет, эти границы между подсистемами и подструктурами организма не настолько отчетливо выражены, как это показано в иллюстрациях учебников (Guimberteau & Armstrong, 2015) (см. главу 11).
Образ четких и резких границ достался нам из достаточно далекого прошлого, когда вплоть до конца XX века дефицит настоящих точных знаний о том, насколько связаны внутреннее и внешнее в биологических организмах, подменялось домысливанием по аналогии с известными рукотворными машинами и механизмами.
К сожалению, за много поколений эти ошибочные образы — упрощенные машинные, химические, сигнальные аналогии и границы — успели войти в плоть и кровь нашей цивилизации. Причем это в одинаковой мере верно как для профессионалов медицины и биологии, так и для обычных людей, получивших школьное образование. Как учебники и атласы для специалистов, так и общее представление людей об устройстве и работе тела пока еще очень далеко отстают от обновленных фактов и продолжают учить миллионы людей искаженной, неверной картине мира. Несмотря на то что отдельные направления клеточной биологии ушли далеко вперед и показывают истинную картину работы клеток и внеклеточного матрикса на микроуровнях, передача этих знаний от узких специалистов в широкую аудиторию идет очень медленно. Одной из задач этой книги как раз и является желание помочь читателю изменить «общее представление» о том, как работает организм, через донесение информации о передовых достижениях клеточной и молекулярной биологии.
Тенсегрити-подход позволяет нам намного лучше понять, как работает двусторонняя взаимосвязь внутреннего и внешнего. Тенсегрити-структура иллюстрирует, каким образом каждая модульная единица сохраняет свои отличительные особенности, но при этом неразрывно связана и влияет на все остальные элементы, этажи, масштабы и уровни организации. Этим она напоминает музыканта, который играет на своем конкретном инструменте, но при этом является участником большого оркестра, который и определяет роль и звучание данного инструмента.
Именно внешняя физическая граница, которой является наша кожа, обеспечивает конечный предел этой внутренней связности сил и отделяет внутреннее от внешнего. Поэтому именно тело в целом, на уровне макромасштабов — метров, сантиметров и миллиметров — взаимодействует с внешней силой тяжести, которая и является главным источником механического воздействия на организм извне, через ее динамические проявления в виде дифференциальных угловых скоростей и сил реакции опоры, проявляющих себя на временных диапазонах от минут до миллисекунд. И только пройдя через динамическую механограницу тела в целом и претерпев первичные преобразования на уровне макромасштабов, эти взаимодействия затем передаются внутрь, по каскадам, вплоть до клеточного и биомолекулярного уровня (Levin, 2017).
Развитие тканей
До недавнего времени внеклеточный матрикс (ВКМ) считался не более чем пенопластовым упаковочным материалом клеток. Это было связано с тем, что по сравнению с эпителиальными и мышечными клетками ВКМ метаболически беден (в основном это коллаген, эластин и протеогликаны) и структурно относительно однороден по всему организму, а доминирующим типом клетки является достаточно простой по строению фибробласт. На самом же деле реальность современных более точных наблюдений показывает, что индивидуальные клетки (их оболочки, внутриклеточная структура, ядро) структурно и функционально неразделимы с ВКМ (Rozario & DeSimone, 2010).
В частности, с одной стороны, мобильные (способные к перемещению по организму) фибробласты — как своего рода паучки в сетях ВКМ — ответственны за воспроизводство ВКМ: как разных типов волокон, составляющих ВКМ (коллагена, эластина и фибронектина), так и его основного вещества (базовой субстанции межклеточной жидкости) — протеогликанов. С другой стороны, именно ВКМ обеспечивает структурную и химическую среду, позволяющую клеткам нормально функционировать — клетки, лишенные окружения ВКМ, неспособны выживать (Humphrey et al., 2014). Кроме того, фибробласты наряду с другими клетками также образуют ретикулярную сеть по всему телу, которая поддерживает нормальные процессы натяжения и восстановления тканей (Dittimore et al., 2016; Chaitow, 2017) и регулирует ток межклеточных (интерстициальных) жидкостей (Rutkowski & Swartz, 2007; Langevin et al., 2013).
Рис. 5.8. Последовательность изменений, которые могут произойти в эпителиальном клеточном листке. (После Ingber, 2006b).
(А) Клетки прикреплены друг к другу и к натянутой базальной мембране (БМ).
(B) Изменения в активности цитоскелета могут привести к выработке ферментов, которые локально разлагают БМ.
(C) Растяжение более тонкой БM деформирует клетки и меняет их функцию.
(D) Развитие зачатка конечности, ветви или трубки.
(E) Эпителиально-мезенхимальный переход в подвижные клетки
В период эмбрионального развития реципрокный обмен натяжением между цитоскелетом и ВКМ, в сочетании с влиянием химических митогенов (пептидов или небольших белков, индуцирующие клеточное деление митоз), может вызывать изменения в клеточной активности, способствуя выработке ферментов, разрушающих базальную мембрану (ВКМ) под клеткой (рис. 5.8). Поскольку это приводит к локальным изменениям ее толщины, внутреннее натяжение ткани может способствовать растяжению и реорганизации ВКМ, что приводит к развитию более сложных паттернов, таких как почкование (формирование зачатков) (конечности), ветвление (альвеолы) и образование трубки (капилляры) (Andrew & Ewald, 2010;
Nelson, 2016) или к переходу из эпителия в подвижные мезенхимальные клетки, которые мигрируют в другой регион (Ingber et al., 2014; Mercker et al., 2016).
Движение клеток
Хотя способность клеток прикрепляться к нижележащему субстрату и создавать силу натяжения была известна уже довольно давно (Harris et al., 1980), именно модель биотенсегрити дала наиболее полное объяснение тому, каким образом клетки способны продвигаться и перемещаться внутри тканей.
Например, мезенхимальные клетки — фибробласты, остеобласты, миобласты и др. — часто начинают перемещаться из одного региона в другой в ответ на силы натяжения и химические сигналы (морфогены), которые распространяются через внеклеточный матрикс (ВКМ). Такое перемещение осуществляется клетками путем координированных циклических изменений в биомеханической тенсегрити-структуре своих цитоскелетов.
Это происходит следующим образом: сначала клетки прикрепляются к относительно жесткому ВКМ через связывающие центры фокального контакта — процесс, который приводит к тому, что натянутые актиновые волокна одной части клетки реорганизуются в пучки базальных стрессорных волокон (рис. 5.3) и вышележащий апикальный купол. При этом базальные стрессорные волокна функционируют как жесткие тенсегрити-распорки, способствующие образованию подвижной филоподии (рис. 5.9). Затем дальнейшие изменения цитоскелета создают новые адгезивные участки вблизи переднего края, что способствует закреплению клетки и приводит к образованию второй филоподии при повторении процесса, в результате чего клетка продвигается вперед (Stamenović & Ingber, 2009; Ladoux & Nicolas, 2012).
После того как совершилось продвижение клетки вперед на один шаг, происходит биохимическая разборка пучков, образовавшихся для ее продвижения и возвращения к своему предыдущему состоянию. Вполне вероятно, что региональные изменения жесткости волокнистых ядерных, корковых и внутренних цитоскелетов тоже вносят свой дополнительный вклад в этот общий процесс.
При необходимости дальнейшего путешествия клетки этот процесс повторяется многократно. Цикл продолжается до тех пор, пока клетки чувствуют и реагируют на локальные изменения в механических и химических раздражителях, а благодаря тенсегрити-конфигурации действие этих локальных изменений распространяется по всей клетке. Однако может наступить такой момент, когда механохимическая среда изменяется, клетка переключается в другое состояние — ее путешествие заканчивается, она останавливается и прикрепляется на новом месте (Bangasser et al., 2017).
Обратный переход от подвижной мезенхимиальной клетки (способной к перемещению по организму по ВКМ трассам) к статичной эпителиальной может создать новую колонию эпителиальных клеток и привести к новому типу эмбриологической ткани (Martins et al., 2009).