Вода составляет около 60% человеческого тела. Более половины этой воды находится внутри клеток, образующих органы и ткани. Остальная часть воды течёт в промежутках между клетками, подобно морской воде между песчинками.
Инженеры из Массачусетского технологического института (MIT) обнаружили, что этот «межклеточный» поток жидкости играет важную роль в том, как ткани реагируют на сжатие, нажатие или физическую деформацию. Их выводы могут помочь учёным понять, как клетки, ткани и органы физически адаптируются к таким условиям, как старение, рак, диабет и некоторые нервно-мышечные заболевания.
В статье, опубликованной в журнале Nature Physics, исследователи показывают, что когда ткань сдавливают или сжимают, она становится более податливой и быстрее расслабляется, когда жидкость между её клетками течёт легко. Когда клетки плотно упакованы и для межклеточного потока остаётся меньше места, ткань в целом становится жёстче и сопротивляется сжатию или сдавливанию.
Выводы бросают вызов общепринятым представлениям
Результаты исследования опровергают общепринятое мнение, согласно которому податливость ткани зависит в основном от того, что находится внутри, а не вокруг клетки.
Теперь, когда исследователи показали, что межклеточный поток определяет, как ткани будут адаптироваться к физическим силам, результаты можно применить для понимания широкого спектра физиологических состояний, включая то, как мышцы противостоят нагрузкам и восстанавливаются после травм, а также как физическая адаптивность тканей может влиять на прогрессирование старения, рака и других заболеваний.
Команда предполагает, что результаты могут быть использованы при разработке искусственных тканей и органов. Например, при создании искусственной ткани учёные могут оптимизировать межклеточный поток внутри ткани для улучшения её функции или устойчивости. Исследователи подозревают, что межклеточный поток может также стать путём доставки питательных веществ или лекарств либо для заживления ткани, либо для уничтожения опухоли.
Минь Го, доцент кафедры машиностроения в MIT, говорит: «Люди знают, что между клетками в тканях много жидкости, но насколько это важно, особенно при деформации тканей, полностью игнорируется. Теперь мы действительно показали, что можем наблюдать этот поток. И по мере деформации ткани поток между клетками доминирует над её поведением. Так что давайте обращать на это внимание, когда мы изучаем болезни и конструируем ткани».
Го является соавтором нового исследования, в котором приняли участие ведущий автор и постдок MIT Фань Лю, доктор философии, а также Бо Гао и Хуэй Ли из Пекинского педагогического университета и Лиран Лэй и Шуайнан Лю из Медицинского колледжа Объединённого университета в Пекине.
Ткани и органы в нашем теле постоянно подвергаются физическим деформациям
Ткани и органы в нашем теле постоянно подвергаются физическим деформациям: от сильного растяжения и деформации мышц во время движения до небольших и постоянных сокращений сердца. В некоторых случаях то, насколько легко ткани адаптируются к деформации, может влиять на скорость восстановления человека, например, после аллергической реакции, спортивной травмы или инсульта. Однако точно, что определяет реакцию ткани на деформацию, до сих пор остаётся в значительной степени неизвестным.
Го и его группа в MIT изучили механику деформации тканей и, в частности, роль межклеточного потока, после исследования, опубликованного в 2020 году. В этом исследовании они сосредоточились на опухолях и наблюдали, как жидкость может течь от центра опухоли к её краям через трещины и щели между отдельными клетками опухоли. Они обнаружили, что при сдавливании или сжатии опухоли межклеточный поток увеличивается, действуя как конвейерная лента для транспортировки жидкости от центра к краям.
В новом исследовании команда попыталась выяснить, какую роль этот межклеточный поток может играть в других, неопухолевых тканях. «Независимо от того, позволяете ли вы жидкости течь между клетками или нет, это, по-видимому, оказывает существенное влияние», — говорит Го. «Поэтому мы решили посмотреть не только на опухоли, чтобы увидеть, как этот поток влияет на реакцию других тканей на деформацию».
Го, Лю и их коллеги изучили межклеточный поток в различных биологических тканях, включая клетки, полученные из ткани поджелудочной железы. Они провели эксперименты, в которых сначала культивировали небольшие скопления ткани, каждое размером менее четверти миллиметра в ширину и насчитывающее десятки тысяч отдельных клеток. Затем они поместили каждое скопление ткани в специально разработанную для исследования платформу для тестирования.
Исследователи адаптировали высокоточный микробаланс, который измеряет незначительные изменения веса. Они объединили его с шаговым двигателем, предназначенным для нажатия на образец с нанометровой точностью.
Команда помещала скопления ткани по одному на весы и записывала изменение веса каждого скопления по мере того, как оно расслаблялось из сферы в форму блина в ответ на сжатие. Команда также снимала видео с кластерами, когда их сжимали.
Для каждого типа ткани команда создавала кластеры разного размера. Они рассуждали так: если реакция ткани определяется потоком между клетками, то чем больше ткань, тем больше времени должно потребоваться воде, чтобы просочиться через неё, и, следовательно, тем больше времени должно потребоваться ткани для расслабления. Если же реакция ткани определяется структурой ткани, а не жидкостью, то для каждого размера должно потребоваться одинаковое количество времени.
В ходе многочисленных экспериментов с различными типами и размерами тканей команда наблюдала сходную тенденцию: чем больше кластер, тем больше времени требовалось для расслабления, что указывало на то, что межклеточный поток доминирует над реакцией ткани на деформацию.
«Мы показываем, что этот межклеточный поток является важнейшим компонентом, который необходимо учитывать для фундаментального понимания механики тканей, а также для применения в инженерии живых систем», — говорит Лю.
В дальнейшем команда планирует изучить, как межклеточный поток влияет на работу мозга, особенно при таких заболеваниях, как болезнь Альцгеймера. «Межклеточный или интерстициальный поток может помочь вам удалить отходы и доставить питательные вещества в мозг», — добавляет Лю. «Усиление этого потока в некоторых случаях может быть полезным».
«Как показывает эта работа, когда мы оказываем давление на ткань, жидкость будет течь», — говорит Го. «В будущем мы можем придумать способы массажа ткани, чтобы позволить жидкости транспортировать питательные вещества между клетками».
Предоставлено Массачусетским технологическим институтом.