В России исследователи нашли способ управлять клетками с помощью магнитного поля
Российские исследователи вместе с коллегами из Италии и Греции с помощью магнитогенетики раздельно воздействовали на три компонента цитоскелета стволовых клеток и проследили, какую генетическую реакцию запускает каждый из них, рассказали «Инку» в МФТИ. Результаты опубликованы в журнале Acta Biomaterialia. Работу поддержал Российский научный фонд, грант № 22−74−10041.
Клетки постоянно испытывают давление окружающих тканей. Их сжимают, растягивают и деформируют. Эти физические воздействия они преобразуют в биохимические сигналы — такой механизм называют механотрансдукцией. Для стволовой клетки подобные сигналы могут определить дальнейшую судьбу, в том числе запустить превращение в клетку костной, жировой или мышечной ткани.
Механические сигналы передает в том числе цитоскелет — внутренняя сеть белковых структур, которая поддерживает форму клетки и помогает ей двигаться. Исследователи сосредоточились на трех компонентах этой сети: актине, микротрубочках и промежуточных филаментах, образованных белком виментином. Отделить вклад каждого раньше было трудно: традиционные методы механической стимуляции затрагивают сразу несколько структур.
Чтобы воздействовать на компоненты цитоскелета по отдельности, исследователи использовали магнитогенетический подход. Наночастицы оксида железа Fe₃O₄ размером около 10 нм покрывали антителами, которые распознавали один из трех белков — бета-актин, альфа-тубулин или виментин. Затем на частицы воздействовали внешним магнитным полем. Возникавшая сила около 0,5 пиконьютона создавала локальное натяжение в выбранном элементе цитоскелета.
Эксперимент провели на человеческих мезенхимальных стволовых клетках костного мозга. Через 20 часов после воздействия исследователи проанализировали их транскриптом — набор молекул РНК, отражающий активность генов. Так ученые определили, какие гены изменили активность и какие внутриклеточные программы запустила механическая нагрузка.
Реакция клетки зависела от того, на какую структуру приходилась нагрузка. Натяжение микротрубочек усиливало активность генов, связанных с Wnt-сигнальным путем, взаимодействием с внеклеточным матриксом и миграцией. Воздействие на виментин запускало программы клеточного цикла и репликации ДНК, а также сигнальный путь Hippo, регулирующий рост тканей. Нагрузка на актин, напротив, активировала программы клеточного стресса, окислительных процессов, ферроптоза и старения.
Генетические ответы на три вида нагрузки почти не пересекались. При каждом воздействии активность меняли сотни генов, но общими оказались только четыре — KLHL24, RGS4, FMN2 и PDE4DIP. Авторы предполагают, что в дальнейшем эти гены могут стать универсальными маркерами механического напряжения внутри клетки.
По словам первого автора работы, независимого исследователя Варвары Поздиной, возможность воздействовать на один конкретный белок помогла отделить реакции разных элементов цитоскелета. Результаты показывают, насколько узко могут быть специализированы внутриклеточные механические датчики.
Для клетки важна не только сила нагрузки, но и точка ее приложения, объяснил доцент кафедры биологии и генетики РНЦХ им. Петровского и технический директор компании «ЭкзоМи» Илья Зубарев. Натяжение разных структур запускает разные сигналы. Так, микротрубочки связаны с подготовкой к миграции, виментин — с программами деления, а актин — со стрессовыми и защитными реакциями.
Исследование показало, что цитоскелет не ограничивается ролью клеточного каркаса. Его компоненты могут работать как отдельные каналы передачи сигналов и по-разному переводить физическое воздействие в изменения активности генов. По словам студентки магистратуры ФМБФ МФТИ Ольги Каравашниковой, работа потребовала объединить несколько методов — от создания и химической модификации наночастиц до экспериментов с клетками, секвенирования РНК и биоинформатического анализа.
В перспективе такой способ управления клеточными реакциями может пригодиться в регенеративной медицине и тканевой инженерии, предполагают авторы. Выбор конкретной мишени в цитоскелете теоретически позволит запускать нужный процесс — например, стимулировать перемещение клеток при восстановлении поврежденных тканей или усиливать их размножение. Однако работа пока остается фундаментальной: эффект показан на клетках в лабораторных условиях, а до создания медицинских технологий потребуются дальнейшие исследования.
Подпишитесь на «Инк» в Telegram. Там мы пишем нескучным языком о самом важном для предпринимателей. Подписаться.
