Теперь появляется более детальная картина механики адгезии, благодаря новому инструменту, разработанному в Иллинойсе в последние годы, названному «привязь датчика натяжения», который позволяет ученым измерять механику клетки на уровне одной молекулы. На этой неделе на 59-м ежегодном собрании Биофизического общества, которое проходит 7-11 февраля 2015 года в Балтиморе, штат Мэриленд, биофизики Университета Иллинойса представляют новую картину механики клеточной адгезии, которую они сравнивают со знаменитой сказкой Ганса Христиана Андерсена.«Клетки в нашем исследовании похожи на принцессу из сказки« Принцесса на горошине », — сказал Мехди Ройн-Пейкар, ведущий исследователь и ортодонт в команде Тэкджип Ха в Университете Иллинойса на факультете физики Урбана-Шампейн. . Ха и Сюэфэн Ван разработали инструмент для натяжения ремня в 2013 году.
«Несмотря на то, что на кровати много слоев матрасов, то есть сотни тысяч слабо закрепленных молекул лиганда находятся вокруг клетки, клетка все же может ощущать крошечную« горошину »- одну или две прочно закрепленные молекулы под ее телом, "Сказал Ройн-Пейкар. «Мы обнаружили, что клетки могут ощущать механические свойства окружающей среды на уровне отдельных молекул».Tension Gauge Tether: новый инструмент измерения для клеточной механики.
О тросе с датчиком натяжения впервые было сообщено в журнале Science в 2013 году. Этот метод разработан для обнаружения и измерения молекулярной силы при взаимодействии одной молекулы, посредством которой активируются рецепторы клеток человека. В рамках этого подхода нити ДНК используются в качестве связок, которые связывают молекулы лиганда с поверхностью. У страховочных тросов есть определенные допуски на натяжение, и они лопнут, если будет приложено усилие, превышающее допустимое.
Связь интегрин-лиганд активирует адгезию клеток к поверхности только тогда, когда связка ДНК не разрывается, что позволяет измерить молекулярную силу.«В наших предыдущих исследованиях привязки для натяжения с различными допусками на натяжение были индивидуально представлены клеткам, и мы обнаружили, что универсальная пороговая сила для опосредованной интегрином клеточной адгезии составляет около 40 пико-Ньютонов», — сказал Ройн-Пейкар. Этот порог означает, что клетки не могут прилипать к поверхности, если допустимая сила троса датчика натяжения составляет менее 40 пико-Ньютонов.Согласно Ройн-Пейкару, привязи для манометров с разными допусками на натяжение представляют собой разные типы лигандов.
В действительности интегрины взаимодействуют с множеством лигандов. Чтобы лучше имитировать реальную среду клеток в человеческом теле, исследователи равномерно смешали слабые (сила разрыва 12 пико-ньютонов) и сильные (сила разрыва 54 пико-ньютонов) тросы датчика натяжения и изучили адгезию клеток в мультиплексном сценарии.Обнаружение сверхчувствительности клеток к сильным молекулярным силам
В мультиплексном эксперименте исследователи расположили три круглых точки привязных ремней натяжения на одной и той же поверхности, представляя слабые, прочные и мультиплексные привязи. Слабые и сильные привязи были помечены различными спектральными красителями и различимы друг от друга под флуоресцентным микроскопом.
«Когда клетки приземляются на эти поверхности, они будут ощущать механические характеристики окружающей среды и соответственно изменять свои свойства», — сказал Ройн-Пейкар.Например, если привязи датчика натяжения на поверхности прочные, клетки будут прилипать к поверхности и разрывать привязи только на периферии зон приземления, оставляя флуоресцентные следы темных на периферии и ярких посередине, что называется «краевым разрывом». узор »исследователями.
С другой стороны, если привязи поверхности слабые, клетки разорвут все привязи и вообще не будут прикрепляться к поверхности, оставляя равномерно темные следы.Но для поверхности с мультиплексными тросами ученые обнаружили, что имея только одну-две молекулы сильных тросов среди сотен тысяч слабых тросов под ячейкой, клетка может прилипать к мультиплексной поверхности, оставляя следы, как на сверхсильном тросе. поверхность, а не на поверхности со слабым тросом.«Это открытие показывает сверхчувствительность клеток к сильным одиночным молекулярным силам в окружающей среде во время адгезии», — отметила Ройн-Пейкар. «Даже в основном окруженные слабыми связями, клетки все равно могут ощущать механические свойства своего окружения на уровне одной или двух отдельных молекул».
Он сказал, что генетическая и морфологическая неоднородность в популяциях клеток животных является новым явлением и наблюдалась в популяциях опухолей. Часто движущими силами коллективного поведения популяции являются только подмножества клеток.Например, как объяснил Ройн-Пейкар, метастазирование (способ распространения опухоли и одна из наиболее разрушительных характеристик рака) часто определяется действиями подмножества клеток в популяции опухоли.
Открытие сверхчувствительности клеток к механическим свойствам окружающей среды имеет решающее значение для понимания основных физиологических процессов, лежащих в основе развития эмбриона, метастазирования опухолей, заживления ран и многих других аспектов здоровья и болезней человека.Ройн-Пейкар также отметил, что их эксперименты в основном основаны на клетках китайского хомячка яичника, линии клеток, полученной из яичника китайского хомяка, часто используемой в биологических и медицинских исследованиях.
Однако не все типы клеток в своих экспериментах показали такую чувствительность к механическим средам.Следующим шагом исследователей будет изучение большего количества типов клеток и выявление механизмов, которые выделяют определенные клетки с точки зрения их сверхчувствительности к единичным молекулярным силам.