Живые клетки представляют собой динамические системы с внутренней средой, которая находится в постоянном движении, и цитоскелетом, который непрерывно собирает и разбирает свои компоненты. Благодаря такой внутренней динамичности и клетки легко приспосабливаются к воздействующим на них силам, подстраиваясь под них структурно и функционально (Fritzsche, 2017).

Рис. 5.9. (А) Прикрепление клетки к ВКМ приводит к тому, что некоторые актиновые волокна становятся жесткими и перемоделируются в базальные «стрессорные» волокна, поскольку происходит перестройка цитоскелета, с образованием апикального купола и подвижной филоподии. (B) Новое прикрепление к субстрату снова меняет баланс сил цитоскелета и приводит к развитию новой филоподии. (C) Общая форма клетки изменяется по мере адаптации базального цитоскелета к новому месту прикрепления. (D) Взаимодействие между филоподией, базальными стрессорными волокнами и ВКМ приводит к реорганизации цитоскелета и продвижению клетки вперед. Воспроизводится из Ingber et al., 1994.(© Academic Press)

Это исключительно важный акцент, который, как доказывает современная наука, является типовым и базовым для всех типов клеток. Живые клетки структурно пластичны и изменчивы! Живые клетки постоянно самоизменяются и самообновляются в ответ на изменения среды! К сожалению, в общепринятом представлении о биологии первичность такой самопластичности в жизнедеятельности клеток пока не вошла в повседневное, рабочее, первичное восприятие того, как устроены жизнь и организмы.

Большинство учебников по-прежнему представляют клетки как фиксированные объекты с неизменной внутренней структурой, которую легко описать, классифицировать, разбить на подтипы и субклеточные подструктуры. Такое механизированное, наивное представление исключительно далеко от нечеткой, размытой и постоянно меняющейся реальности живых клеток и тканей. Это еще один из устоявшихся мифов, которые необходимо развеять.

Благодаря индуцированию внутренних процессов самосборки и саморазборки в клетках передача механических сил между цитоскелетом, ВКМ и другими клетками может привести к региональным изменениям в морфологии клеточных ансамблей, составляющих живые ткани, таким как изгибание, волнистость и формирование складчатости (Mammoto & Ingber, 2010; Keller & Shook, 2011); или увеличение популяции клеток, вызывающее увеличенную нагрузку на окружающие ткани и влияющее на их развитие (Rozario & DeSimone, 2010; Vedula et al., 2012; Crest et al., 2017); либо к тому и другому одновременно.

Всякий раз, когда две соседние ткани растут с разной скоростью, та, которая растет быстрее, будет сжимать более медленную, вызывая ее натяжение перпендикулярно сжимающей силе (Blechschmidt, 2004; Mao et al., 2013), и конечный результат формообразования зависит от биомеханической податливости этой ткани и от реакции цитоскелета ее собственных клеток (рис. 5.8).

Очень важно отметить, что объединения многоклеточных тканей в сложные пространственные конфигурации и в схожие паттерны могут возникать не только при непосредственном примыкании клеток, но и формироваться на некотором расстоянии друг от друга, при этом будучи основанными на одних и тех же принципах (Nelson, 2009; DuFort et al., 2011).

Это связано с анатомической непрерывностью ВКМ с общеорганизменной фасциальной сетью, которая позволяет передавать местные силы через систему замкнутых кинематических цепей другим частям тела, влияя на каждую стадию его развития (Levin et al., 2017) (рис. 4.8).

Такие взаимосвязанные взаимодействия между молекулами, клетками, ВКМ и фасциями образуют динамическую сеть восприятия и обработки информации, которая позволяет механическим сигналам передаваться из одного места организма в другое (Huang et al., 2006). Так появляется реальная возможность понять формирование не только очевидных феноменов, таких как циркадные ритмы (Yang et al., 2017), но и странных, до настоящего времени необъяснимых, например память тканей (Oschman, 2012; Baluška & Levin, 2016), схемы акупунктуры, основанные на понятиях меридианов (Langevin et al., 2006; Yao et al., 2012).

Введение ВКМ в рассмотрение взаимодействия клеток и развития тканей позволяет разрешить много загадок, которые были за пределами понимания клеточной теории. По сути, при рассмотрении биомеханических взаимодействий на протяжении более 100 лет клеточная теория ограничивалась только непосредственными контактами между клетками, вплотную прилегающими друг к другу. Любые дистантные взаимодействия объяснялись исключительно химическими сигналами, потому что дистантная механическая связь выглядела как мифическое дальнодействие.

Теперь же благодаря новейшим исследованиям в микро— и нано— биологии мы наглядно убеждаемся в том, что система внеклеточного матрикса (ВКМ) — это своего рода общий холст под клеточными красками, это общая натяжная инфраструктура под их ногами (филоподиями). Это общий корень, общая почва, общая натяжная сетка для всех клеток, даже далеко отстоящих друг от друга. Поэтому натяжные взаимодействия даже на больших межклеточных расстояниях становятся абсолютно естественными, полностью нормальными, а не мистическими, как раньше.

Таким образом, хотя каждая клетка сама по себе полноценный живой организм, она также является и модульной единицей, вложенной во многие различные структурные и функциональные уровни, при этом ключевая общеорганизменная интеграция и настройка клеточного оркестра и отдельных инструментов принадлежит внеклеточном матриксу (ВКМ) как глобальной общеорганизменной натяжной структуре.

Рис. 5.10. Стратифицированные эпителиальные клетки эпидермиса напоминают уплощенные тетракаидекаэдры, сложенные друг на друга. (A — D) Последовательность показывает, как плотные соединения (красные) между ячейками могут менять свое положение, сохраняя при этом барьер для жидкости, в то время как клеточные слои постепенно продвигаются к поверхности. (Согласно Yokouchi et al., 2017)

С точки зрения иллюстрации того, как функциональная геометрия поможет понять физиологию, напоследок приведем особенно интересный пример.

Это достаточно старый пример, который был описан для стратифицированных эпителиальных клеток эпидермиса еще в XIX веке. Каждая из этих клеток напоминает форму сплющенного тетракаидекаэдра, а плотные соединения между ними являются частью критического жидкостно-жидкостного барьера кожи относительно внешней среды (рис. 5.10). В 1887 году лорд Кельвин предложил тетракаидекаэдр в качестве варианта эффективного заполнения трехмерного пространства.

Этот пример столь нагляден, потому что в нем геометрия особенно полезна и очевидна, объясняя то, каким образом плотные соединения могут изменять свое положение, сохраняя при этом барьер для жидкости, пока более глубокие стратифицированные клетки продвигаются к поверхности кожи (Yokouchi et al, 2017).