Секрет сильных мышц: учёные нашли связь между нагрузкой и ростом клеток
Скелетная мускулатура человека состоит из длинных многоядерных волокон, которые формируются при слиянии клеток-предшественников — миобластов. Долгое время учёные искали объяснение этого процесса исключительно в биохимических сигналах. Однако исследовательская группа из Max-Planck-Zentrum für Physik und Medizin (MPZPM) обнаружила, что механическое напряжение играет не менее важную роль, направляя слияние мышечных клеток в определённые зоны ткани. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.
Биологи и физики объединили усилия, чтобы понять, как отдельные клетки координируют рост и восстановление мышц. Оказалось, что миобласты не распределяются по ткани хаотично. Вместо этого они самоорганизуются в упорядоченные домены, формируя узоры, похожие на кометы или трилистники. В местах, где выравнивание клеток нарушается, возникают так называемые топологические дефекты — именно там концентрируется механическое усилие и чаще всего происходит слияние.
Мышечные клетки подчиняются законам физики
Команда под руководством Бенуа Ладу, главы отдела тканевой механобиологии MPZPM, использовала для описания клеточного поведения концепции физики активных материалов. Такие системы, как жидкие кристаллы, обладают свойством выстраивать молекулы параллельно друг другу. Похожим образом ведут себя и миобласты: их скопления создают направленные паттерны, а разрывы в упорядоченности служат «горячими точками» механического напряжения.
Эксперименты на куриных эмбриональных миобластах показали, что слияние клеток происходит неравномерно. Учёные применили методы картирования сил и покадровой визуализации живых клеток. «Миобласты не сливаются равномерно по всей ткани, а группируются именно в зонах с высокими механическими нагрузками», — поясняет доктор Сушил Дубей, соавтор исследования.
Физический подход позволил объяснить то, что оставалось незамеченным при анализе только молекулярных сигналов. Клетки ощущают упругость окружения, его жёсткость и локальное натяжение. Эти параметры становятся такими же важными регуляторами развития, как и химические факторы.
Внеклеточный матрикс хранит память о клетках
Механизм не ограничивается самими миобластами — в него вовлечён внеклеточный матрикс (ECM), сеть белков, которая служит опорой для клеток и передаёт усилия. В ходе выравнивания миобласты перестраивают этот матрикс, придавая его волокнам собственное направление. Таким образом, ECM буквально «запоминает» организацию клеточного слоя.
Этот эффект удалось продемонстрировать экспериментально. Исследователи удалили исходную популяцию клеток, оставив только внеклеточный матрикс. Затем на него поместили свежие миобласты. Новая культура воспроизводила паттерны механического напряжения, которые существовали до удаления клеток. Матрикс сохранил «память» об организации и влиял на поведение новоприбывших клеток.
Учёные показали, что миобласты выстраивают матрикс вдоль собственного выравнивания, а это, в свою очередь, стабилизирует разрывы клеточного порядка и усиливает механические паттерны.
Такая обратная связь формирует физическую основу того, как ткань направляет собственный рост. Внеклеточный матрикс — не пассивный каркас, а активный участник морфогенеза, способный хранить и передавать информацию следующему поколению клеток.
Обратная связь определяет места сращения
Когда миобласты сливаются, они образуют вытянутые миотубы — предшественники зрелых мышечных волокон. По мере развития миотубы выравниваются всё сильнее, что меняет нематическую организацию ткани. Это усиливает механическое напряжение, а клетки одновременно продолжают перестраивать внеклеточный матрикс. Возникает самоподдерживающийся цикл: напряжение влияет на слияние, а слияние усиливает напряжение.
Именно такая петля обратной связи, по мнению авторов, объясняет, почему слияние клеток происходит в строго определённых местах. «Формирование мышц контролируется не только биохимическими сигналами. Механическое окружение, создаваемое клетками и их матриксом, тоже определяет, где произойдёт сращение», — заключает Бенуа Ладу.
Это открытие меняет представление о развитии скелетных мышц. Если раньше механические силы считались следствием клеточной активности, то теперь они рассматриваются как активный организатор тканевых структур. Исследование опубликовано в открытом доступе — с материалами можно ознакомиться в Nature Communications.
От отдельных клеток к организованной мышце
Полученные данные важны не только для понимания эмбрионального развития. Регенерация мышечной ткани после травм и при возрастной саркопении зависит от тех же механизмов. Если удастся управлять механическими свойствами микроокружения, можно будет направлять слияние миобластов в нужные участки повреждённой ткани.
Исследователи считают, что самоусиливающееся взаимодействие между активностью клеток, внеклеточным матриксом и механическим стрессом характерно для многих процессов, при которых ткани самоорганизуются во время роста. Принципы физики активной материи могут найти применение в тканевой инженерии и регенеративной медицине.
Пока остаётся открытым вопрос: можно ли целенаправленно изменять жёсткость и структуру матрикса, чтобы стимулировать восстановление мышц у человека? Ответ на него потребует новых экспериментов, но первые шаги уже сделаны.
