Во время раннего развития эмбриона клетки-предшественники многих типов мышечно-скелетной ткани начинаются в тесном контакте друг с другом и со временем переходят в организованную сеть отдельных клеток, окруженных внеклеточным матриксом (ЕСМ). Эта матрица состоит из полисахаридов и волокнистых белков, секретируемых клетками, обеспечивая структурную и биохимическую поддержку клеток внутри.
В процессе развития эмбриона ЕСМ становится более жестким из-за увеличения количества матричного материала и сшивания, что в конечном итоге способствует развитию стволовых клеток в более специализированные клетки в различных типах тканей. Он также действует как среда, через которую механическая информация передается клеткам (например, силы, возникающие при таких обычных действиях, как ходьба или бег).
Маук и его коллеги разработали новый биоматериал, который позволяет ученым систематически изучать, как межклеточные взаимодействия, присутствующие на раннем этапе развития, сочетаются с взаимодействиями клетка-ECM для регулирования дифференцировки стволовых клеток.
Клетки могут ощущать внутреннюю жесткость окружающей среды, которая играет важную роль в управлении дифференцировкой стволовых клеток и создании механических свойств тканей.
Во время развития опорно-двигательного аппарата окружающая среда клетки постепенно переходит от той, которая богата межклеточными взаимодействиями, к той, в которой преобладают взаимодействия клетки с внеклеточным матриксом. Однако, как эти стволовые клетки уравновешивают свою интерпретацию видения друг друга и видения этой все более жесткой матрицы, не совсем понятно.
Чтобы изучить реакцию стволовых клеток на различные механические и материальные воздействия, Маук и его коллеги изучили белковые комплексы, которые перемещаются в ядро в ответ на эти сигналы, названные белками YAP / TAZ. Попадая в ядро, эти белки помогают дифференцировать стволовые клетки и превращаться в специализированные клетки, которые находятся в различных типах тканей.
Команда показала, что эта новая платформа биоматериалов может позволить ученым изучить, как белки, участвующие в межклеточном контакте (N-кадгерины), могут маскировать входные данные стволовых клеток от накапливающихся ECM (фибронектинов) в широком диапазоне жесткости тканей.
Сигналы от клетки к клетке, представленные биоматериалом, снижают способность стволовых клеток притягивать молекулы ЕСМ, что, в свою очередь, снижает количество молекул YAP / TAZ, присутствующих в ядрах развивающихся клеток. Это привело к изменению интерпретации клетками жесткости ВКМ и, в конечном итоге, того, как эти клетки дифференцировались.
«Мы хотим узнать, как заставить эти клетки думать, что они находятся в более мягкой среде», — говорит Маук.
Это могло бы позволить ученым и клиницистам дольше удерживать стволовые клетки в незафиксированном состоянии во время регенеративной терапии, чтобы увеличить количество клеток и не дать им принять определенную, окончательную судьбу, которая может усилить их физиологическое воздействие при имплантации.
«Наша долгосрочная цель — уметь отследить, как клетка определяет жесткость окружающей среды», — сказал первый автор Брайан Д. Косгроув, докторант лаборатории Маука. «Например, в идеале мы хотим поместить стволовые клетки в жесткие материалы для восстановления хряща, которые могли бы противостоять силам, присутствующим в повседневной жизни, но тогда стволовые клетки предпочтительно превращаются в кости и другие типы фиброзных тканей.
Нам нужно найти новые способы заставить их думать, что они находятся в правильной среде, чтобы они оставались специализированными хрящевыми клетками."
Этот точный контроль того, что в конечном итоге воспринимает клетка-предшественник, и образующаяся в результате ткань, может иметь важное значение для лечения таких заболеваний, как неуместный рост костей, называемый гетеротопической оссификацией.