EurekAlert: Ученые раскрыли невероятные механизмы связи между клетками

Изо дня в день мы общаемся с коллегами по работе, выполняя необходимые для жизнедеятельности задачи. Более 200 различных типов клеток в нашем организме делают то же самое, но способ их общения между собой не так прост, как отправка электронного письма.

Исследователи, такие как Иоаннис Зервантонакис, все еще пытаются понять, как эти клетки общаются друг с другом. Доцент кафедры биоинженерии Школы инженерии Свансона при Питтсбургском университете недавно получил премию Национального института общих медицинских наук за максимальное развитие исследовательской деятельности, а его проект «Связь макрофагов и фибробластов при миграции клеток и ремоделировании внеклеточного матрикса» получит более 1,95 млн долларов общего финансирования в течение следующих пяти лет.

В лаборатории Zervantonakis Microenvironment Engineering Lab интегрированы микрофлюиды, моделирование системной биологии и эксперименты in vivo для изучения роли сложных микроокружений на рост, миграцию и реакцию клеток на здоровье и болезнь. Обычно его исследования посвящены раковым заболеваниям, но в данном проекте внимание будет сосредоточено именно на взаимоотношениях между двумя типами клеток: макрофагами и фибробластами.

Это позволит понять фундаментальные процессы, посредством которых эти два типа клеток взаимодействуют между собой, — сказал Зервантонаки.

Вместе они обеспечивают тканям способность к заживлению, росту и адаптации к постоянно меняющейся среде.

Фибробласты — это клетки, которые создают и поддерживают разнообразные соединительные ткани, обеспечивающие широкий спектр важнейших функций органов, таких как устойчивость кожи к резким повреждениям и заживление рубцов. Макрофаги — белые кровяные клетки, которые помогают уничтожать вредные вещества, поглощая чужеродные материалы и инициируя иммунный ответ. Обе эти клетки помогают регулировать тканевый гомеостат, или равновесие, в организме.

Одна из задач — выяснить, как эти клетки реагируют на гипоксию, или недостаток кислорода в сложной трехмерной среде. Отличаясь от предыдущих исследований в этой области, данный проект предполагает разработку новой технологии создания микрофлюидных устройств для точного управления потоком кислорода, а также использование клеточных биосенсоров для изучения реакции фибробластов и макрофагов на изменения внеклеточного матрикса в интактных тканях.

С помощью вычислительного моделирования и микрофлюидных устройств мы можем начать разбираться, что важнее в коммуникации клетка-клетка: Важнее ли кислород. Важны ли механические силы, генерируемые клетками во внеклеточном матриксе? — сказал Зервантонакис.

Если фибробласты и макофаги чрезмерно активизированы, то какие белки мы можем направить на снижение их активации, чтобы уменьшить воспаление и рубцевание тканей.

Результаты этого исследования будут иметь несколько важных последствий. Одна из основных проблем, которую может решить эта область, — понимание того, как лечить различные виды легочных заболеваний.

Связь между макрофагами и фибробластами может быть нарушена при хронической легочной гипертензии или легочном фиброзе, — сказал Зервантонакис.

При фиброзе легких изменяется уровень кислорода, поэтому понимание того, как кислород влияет на оба этих типа клеток, может помочь нам найти новые лекарства для борьбы с этими заболеваниями.

Белки (тетраспанины и рецепторы клеточно-матричной адгезии), которые изучает группа Зервантонакиса, могут также регулировать взаимодействие макрофагов и фибробластов при раке и аутоиммунных заболеваниях, а также влиять на регенерацию тканей.

Поскольку макрофаги и фибробласты играют важную роль в развитии тканей, манипуляции с белками, контролирующими механическое поведение фибробластов или подвижность макрофагов, могут быть использованы для стимулирования регенерации или понимания дефектов развития.

По словам Руксуана Ли, кандидата наук по биоинженерии, работающего в лаборатории, уникальным аспектом данного проекта является использование 3D-моделей in-vitro, что является особенностью лаборатории и позволяет получить более эффективную и дешевую модель по сравнению с моделями, используемыми в исследованиях на животных.

Для изучения поведения клеток в нашей лаборатории мы используем различные 3D-культуры in-vitro, включая микрофлюидные чипы, микролунки и 3D-гидрогелевые системы совместной культуры, — сказал Ли.

В отличие от моделей животных и двухмерных моделей срезов тканей, трехмерные модели in-vitro могут имитировать трехмерную структуру и микроокружение тканей человека.

Значительная часть предварительных данных для этого предложения была получена благодаря работе Ли и постдокторанта Янгбина Чо, который также отметил важность 3D-моделей.

Мы планируем усовершенствовать нашу 3D-платформу in vitro, чтобы точно зафиксировать сложное взаимодействие между макрофагами и фибробластами внутри внеклеточного матрикса, — сказал Чо.

Используя нашу систему визуализации с высоким разрешением конфокального микроскопа и микрофлюидные устройства, мы будем наблюдать в реальном времени взаимодействие клеток и фибробластов и структурное ремоделирование матрикса под действием клеток.

В течение следующих пяти лет целью MIRA Зервантонакиса является повышение эффективности финансирования NIGMS путем предоставления исследователям большей стабильности и гибкости, что повысит научную продуктивность и шансы на важные прорывы.

Все дело в фундаментальных вопросах и фундаментальных механизмах: мы, по сути, изучаем дисрегуляцию механизмов коммуникации между клетками, что может иметь последствия для многих заболеваний, — сказал Зервантонакис.

21.11.2023