Когда аспирант Кшитидж Парихар начал изучать десятки научных статей по двум, казалось бы, несвязанным темам — механике опухолей и внеклеточным везикулам, крошечным пакетам белков и генетического материала, выделяемым клетками, — он заметил нечто удивительное: эти две области взаимодействуют друг с другом.
Вместе со своим научным руководителем Рави Радхакришнаном, профессором биоинженерии и химической биомолекулярной инженерии, Парихар стал соавтором [литературного обзора](https://www.nature.com/articles/s41551-025-01446-0), опубликованного в Nature Biomedical Engineering, в котором подчёркиваются эти скрытые связи.
Для пары этот обзор — не столько подведение итогов состояния науки, сколько определение направления, в котором движется область механобиологии — изучение того, как физические силы, такие как жёсткость и давление, влияют на рост, движение и взаимодействие клеток. Лаборатория Радхакришнана в Инженерном колледже Пенна занимает уникальное положение, чтобы продвигать эту область вперёд.
Обзоры, объясняет Радхакришнан, — это не просто краткие изложения. Они служат каркасом, который связывает разрозненные исследования, помогая исследователям и студентам, начинающим работу в этой области, увидеть более широкую картину.
«В исследованиях рака мы многое знаем о том, как клетки посылают химические сигналы, — говорит он. — Но когда мы собрали воедино литературу о механике и везикулах, мы начали воспринимать рак по-новому, не только как изменённую сигнализацию, но и как проблему транспортировки».
Для Парихара написание обзора стало шансом научиться, соединяя точки в разных областях. «Было увлекательно обнаружить, что механика опухолей и внеклеточные везикулы могут быть не такими разными, как кажутся, — говорит он. — Когда вы объединяете их, вы понимаете, что они формируют одну и ту же историю о прогрессировании рака».
За последнее десятилетие внеклеточные везикулы (EVs) привлекли внимание своей ролью посланников: они переносят груз, такой как белки и РНК, между клетками, влияя на рост опухолей, реакцию иммунной системы и даже распространение рака в другие части тела. Их доступность делает их мощным инструментом для исследований.
«Вместо того чтобы пытаться взять биопсию опухоли, что сложно и инвазивно, мы можем взять простой анализ крови и найти эти везикулы», — говорит Радхакришнан. «Они как отпечатки пальцев раковых клеток, которые их выпустили, и содержат много данных, которые мы можем использовать для иммунотерапии, фундаментальных исследований рака и основ механики прогрессирования рака».
Но прежде чем данные, полученные из EVs, действительно смогут помочь в реальных приложениях, необходимо ответить на ряд вопросов: почему раковые клетки выделяют гораздо больше везикул, чем здоровые клетки? И как эти везикулы изменяют механику окружающих их тканей?
Одно из ключевых выводов обзора заключается в том, что механика и передача сигналов идут рука об руку. Опухоли не просто химически аномальны, они физически отличаются: жёстче, комковатее, находятся под уникальными нагрузками. Эти механические изменения влияют на то, сколько везикул выделяют раковые клетки, и даже на то, какой груз несут везикулы.
По крайней мере, так предполагают исследователи: и то, что окружающая ткань влияет на везикулы, и что процесс является двусторонним. «Мы видим, что везикулы не просто реагируют на окружающую среду, — говорит Радхакришнан. — Они активно её изменяют. Они могут жёстко структурировать ткань и подготовить её к метастазированию».
Взаимодействие между механикой и биологией везикул открывает новые возможности для терапии. Например, поскольку везикулы естественным образом вырабатываются организмом, их можно использовать в качестве более биологически жизнеспособных средств доставки лекарств, способных преодолевать барьеры, такие как гематоэнцефалический барьер, которые часто не под силу синтетическим наночастицам. Сочетание везикул с инженерными липидными наночастицами может привести к созданию гибридных систем для иммунотерапии и лечения рака.
«С момента синтеза исследований в этом обзоре мы сотрудничаем с лабораторией Джины Ко в Инженерном колледже Пенна и Медицинской школой Перельмана, чтобы начать изучение того, как EVs и липидные наночастицы могут работать вместе в качестве комбинированной системы доставки лекарств, которая могла бы лечить рак головы и шеи, особенно рак полости рта», — говорится в сообщении.
Одной из проблем является то, что везикулы настолько малы, что их невозможно надёжно отследить под микроскопом. Здесь на помощь приходят инженерные инструменты. Парихар разрабатывает вычислительные модели для имитации движения везикул и их взаимодействия, проверяя эти модели на соответствие экспериментальным данным, когда это возможно.
«Эти модели — наш лучший способ «увидеть», как везикулы перемещаются по телу и взаимодействуют с клетками-реципиентами, — объясняет он. — Они позволяют нам задавать вопросы о распространении рака и иммунной коммуникации, которые иначе были бы невозможны. Однажды технология сверхразрешающей микроскопии сможет рассказать нам больше о том, как EVs взаимодействуют с клетками, но пока мы обращаемся к передовому компьютерному моделированию, чтобы ответить на этот вопрос».
Для Радхакришнана обзор — это ещё и обучение. Его лаборатория процветает на пересечении биологии, инженерии, вычислений и медицины, объединяя сотрудников из разных уголков Пенна. «Это не те проблемы, которые можно решить с одной точки зрения, — говорит он. — Студенты и исследователи в моей лаборатории работают с биологами, инженерами и врачами каждый день. Их учат мыслить шире, чем в рамках какой-либо одной дисциплины».
Эта философия находит отражение и в классе. В курсе BE 5400: «Принципы молекулярной и клеточной биоинженерии» Радхакришнан использует [тематические исследования](https://phys.org/tags/case+studies/) и литературные обзоры, чтобы помочь студентам-бакалаврам связать теорию с реальными проблемами. «Часто студенты задают вопросы, о которых я не задумывался, — говорит он. — Эти вопросы открывают совершенно новые направления для исследований».
Парихар добавляет, что один из самых важных уроков для молодых учёных — оставаться открытыми. «Не относитесь ни к одному исследованию или статье как к абсолютной истине, — говорит он. — Ищите связи между областями, посещайте конференции вне своей дисциплины и будьте готовы представить неожиданное».
Фокус лаборатории на взаимодействии между везикулами и механикой вырос из гипотезы, разработанной в Пенне соавтором Вэем Гоу, выдающимся профессором Хирша, президентом Школы искусств и наук, и коллегами много лет назад: что прогрессирование рака может быть связано не только с химической сигнализацией, но и с тем, как вещи перемещаются в клетке.
Эта идея с тех пор получила распространение, изменив подход исследователей к изучению болезни. Теперь, с появлением новых инструментов, новых коллабораций и нового поколения учёных, Радхакришнан и его команда работают над тем, чтобы превратить эти идеи в методы лечения. «Механобиология меняет наше представление о раке, — говорит он. — Это не только химия, это физика, это инженерия, это транспорт. И Пенн — это место, где эти перспективы и эксперты мирового класса объединяются для решения проблем с помощью междисциплинарного подхода».
Предоставлено [University of Pennsylvania](https://phys.org/partners/university-of-pennsylvania/)