Механическая модель объяснила ровную границу между биологическими тканями

Daniel M. Sussman et al./ Physical Review Letters, 2018

Американские исследователи с помощью механической модели описали процесс формирования границ между биологическими тканями. Оказалось, что для образования ровной границы необходимо, чтобы поверхностное натяжение и адгезия на границе клеток менялись независимо друг от друга, пишут ученые в Physical Review Letters.

Известно, что несмотря на мягкость и подвижность клеточных мембран, подавляющее большинство стыков между различными тканями имеют очень ровную границу. Традиционно для объяснения этого эффекта используют модель несмешивающихся жидкостей, в которых образование подобной структуры продиктовано стремлением снизить энергию поверхностного натяжения. При этом, в отличие от жидкостей, у биологических тканей в формировании поверхностного натяжения участвует активное взаимодействие между клетками и их адгезионные свойства. Однако до сих пор как природа поверхностного натяжения биологических тканей, так и механизм формирования границ между ними точно не известны.

Американские исследователи из Сиракузского университета под руководством Даниэля Зусмана (Daniel M. Sussman) предложили для описания стыка двух тканей использовать двумерную статистическую вершинную модель, в которой клеточная ткань представляется в виде сетки многоугольников, а вершины соответствуют стыкам нескольких клеток. В рамках этой компьютерной модели авторы исследования построили систему, соответствующую границе между двумя тканями, в которых каждая ячейка сетки представляет собой одну клетку ткани, при этом между клетками невозможно образование пустот или перекрываний. Соседние ячейки такой сетки взаимодействуют между собой механически, при этом взаимодействие с клетками «своей» ткани и клетками «другой» ткани происходит по-разному, что приводит к образованию гетеротипичного контакта.

Чтобы оценить поверхностное натяжение, которое возникает на границе двух тканей в такой модели, ученые использовали два различных метода. В первом методе, традиционно используемом для оценки поверхностного натяжения, в том числе и в реальных экспериментах, «капля» одной ткани, окруженная второй, зажималась между двумя сходящимися твердыми пластинами, и по ее деформации определалсь нужная величина. Во втором методе эффективное поверхностное натяжение измерялось на основе данных о флуктуации межфазной границы между двумя тканями в условиях близких к равновесным.

Оказалось, эти два метода дают очень разные результаты, значит, эти две величины не эквивалентны друг другу и имеют различную природу. То есть поверхность ткани очень мягкая и может легко деформироваться, но при этом образует очень ровные, практически не флуктуирующие границы с другой тканью. По словам ученых, такое поведение следует из топологических правил, которыми в модели задается взаимодействие между клетками. Стремление образовать ровную границу между тканями при этом не зависит от механических свойств отдельных клеток.

Таким образом, в рамках предложенной модели это свойство объясняется тем, что клетка может независимо менять свои адгезионные свойства и поверхностное натяжение. По словам авторов работы, полученные результаты могут объяснить поведение клеток при различных процессах сегрегации, например в течение эмбриогенеза или при росте раковых опухолей.

Математическое моделирование с использованием статистических моделей довольно часто используют для описания взаимодействия клеток и роста тканей. Так, с помощью одной из таких моделей удалось описать процесс залечивания повреждений в тканях и провести аналогию между физическим и биологическим старением. А другая численная модель позволила математикам смоделировать рост меланомы.

Александр Дубов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.