МЕХАНОБИОЛОГИЯ

Механобиология — это развивающаяся область науки на стыке биологии, инженерии и физики, которая фокусируется на том, как физические силы и изменения механических свойств клеток и тканей способствуют развитию, дифференцировке клеток, физиологии и болезням. Основной проблемой в этой области является понимание механотрансдукции — молекулярных механизмов, с помощью которых клетки воспринимают механические сигналы и реагируют на них.

Клетка, как структурная единица любой ткани, не может существовать без окружения. Любая клетка постоянно ползает и исследует свое окружение. Существуют непонятные пока механизмы, позволяющие клеткам быть вежливыми по отношению друг к другу – одна клетка никогда не наползает на другую; чем обеспечена такая куртуазность, пока не понятно, но исполняется это правило всегда и без исключения. Как же ползают клетки, кто или что направляет их движение? И почему так важна их способность к миграции?

Клетки движутся,  образуя на переднем крае  выросты  разной формы, именуемые псевдоподиями. Чтобы сформировать данный вырост, клетка задействует свой цитоскелет. Кто первый употребил термин «цитоскелет»? Еще в начале 19 века русский биолог Н.К. Кольцов на основании большой серии опытов по изучению свойств жгутиков сперматозоидов пришел к выводу о том, что в клетке есть скелетные структуры. Однако термин «цитоскелет» распространился широко лишь в последние два десятилетия. Первоначально предполагалось, что цитоскелетные нити являются опорным каркасом клетки, ее скелетом. Цитоскелет несомненно выполняет эту роль, но это лишь одна из многих функций этих структур в клетке. Цитоскелет состоит из трех основных типов нитей, образующих три системы: микрофиламенты, микротрубочки и промежуточные филаменты. Каждый тип нитей состоит из одного-двух основных белков: микрофиламенты — из актина, микротрубочки — из тубулина, промежуточные филаменты — из специальных белков, различных в разных тканях: кератина — в эпителиях, десмина — в мышцах, виментина — в тканях внутренней среды (соединительной ткани, хряще, кости и др.), белков нейрофиламентов — в нейронах. Разумеется, белки цитоскелета, как и любые белки клетки, закодированы в ДНК и синтезируются на рибосомах. Клетка может менять набор синтезируемых белков. Однако конструкция цитоскелета может быстро меняться даже без синтеза новых молекул, за счет полимеризации и деполимеризации нитей. Отдельные молекулы, мономеры, растворенные в цитоплазме клетки, способны соединяться, полимеризоваться в нити соответствующего типа. Новые мономеры могут присоединяться к концам нити, удлиняя ее. Полимеризация обратима: мономеры могут отделяться от концов нити, которая при этом укорачивается и может исчезнуть совсем. В клетке все время идет обмен между нитями и раствором мономеров в цитоплазме.

По сравнению со скелетом человека, цитоскелет имеет намного больше функций: это и поддержание формы клетки, и сократительная функция, и обеспечение подвижности, и даже активный внутриклеточный транспорт. Как выяснилось, модуль упругости клетки также сильно зависит от строения цитоскелета — в основном той его части, которая образована актиновыми филаментами. Больше всего актина в мышечных клетках, где он приспособлен для согласованной работы, приводящей к сокращению мышц. В других клетках присутствует его близкий родственник — так называемый немышечный актин. Разрушение актинового цитоскелета приводит к радикальному снижению жесткости клетки. Например, было показано, что раковые клетки намного «мягче» здоровых клеток и клеток доброкачественных опухолей, и что их актиновый цитоскелет более дезорганизован. Возможно, пониженная жесткость и высокая эластичность помогают раковым клеткам перемещаться во внутритканевых полостях и проходить через стенки сосудов во время метастазирования.

Таким образом, актиновый цитоскелет является двигательным аппаратом клеток, обеспечивает им способность к адгезии, миграции и сжатию. Оказалось, что клетки даже в состоянии покоя находятся в напряженном состоянии. За счет работы молекулярных моторов актиновые фибриллы стремятся сократиться и оказывают деформирующее воздействие на окружающее пространство . Была выявлена способность клеток чувствовать жесткость окружающей среды и подстраиваться под неё (механочувствительность). Например, клетки могут двигаться в направлении градиента жесткости — явление, которое называется дуротаксис, или по градиенту натяжений — тензотаксис. Эти способности особенно важны при эмбриогенезе, когда происходят скоординированные движения групп клеток: механические напряжения и натяжения приводят к самоорганизации клеточных масс .

При выращивании клеток in vitro четко видно, что клетки, растущие на более жестких субстратах, обычно имеют более развитый цитоскелет и сами становятся жестче. Жесткость субстрата оказывает влияние на дифференцировку стволовых клеток. Так, мезенхимальные стволовые клетки, растущие на матриксах с коэффициентом жесткости  как у мягких тканей мозга, дифференцируются в нейроны (нейрогенная дифференцировка). Рост на жестких матриксах приводит к появлению остеобластов (остеогенная дифференцировка), а на матриксах с жесткостью как у мышечной ткани — мышечных клеток (миогенная дифференцировка). Основными кандидатами на роль сенсоров, чувствующих упругие свойства окружающей среды, являются фокальные адгезии и адгезионные контакты.

Адгезионные контакты пронизывают мембраны клеток и состоят из интегрина  альфа-2бета 1, при этом  альфа 2 субъединица  связывает клетку с окружающими волокнами коллагена матрикса, а участок бета 1 связывается с белками фокальной адгезии (тензин, винкулин, активин и т.д.) – овальной структуры, размер которой напрямую зависит от силы натяжения, вызываемого сокращением актиномиозиновых фибрилл, формирующих цитоскелет клетки. С возрастом снижается синтез интегрина, а винкулин, базовый белок фокальной адгезии, меняет транслокацию и перемещается с мембраны в цитоплазму клетки. Таким образом, в зрелой  коже постепенно угасают все три основные функции  фибробластов ретикулярного слоя: способность клеток к миграции и адгезии, снижается сократительная способность фибробластов. Потеря базовых функций приводит к потере  упругости кожи.

Способность  понимать, насколько упруго окружение, имеют и кератиноциты; в зависимости от информации, получаемой  ими от фибробластов, эпителиальные клетки  меняют клеточный ответ (скорость  пролиферации, способность к адгезии, синтезу протеинов), чем менее упруго окружение, тем медленнее идут процессы регенерации. Это одна из причин, почему раны на зрелой коже заживают гораздо медленнее, чем на молодой, почему ухудшаются с возрастом  поверхностные  характеристики эпидермиса.

Предлагаемый компанией Силаб продукт Coheliss  поможет замедлить процессы деградации механорецепторов, вернет винкулин  на клеточную мембрану, усилит синтез интегринов, улучшит микрорельеф кожи  и обеспечит ей упругость и сияние, присущее молодой здоровой коже.