Жидкоподобное поведение тканей является ключевым принципом развития форм в биологических системах.
Исследователи из Института коллоидов и интерфейсов Макса Планка в Потсдаме показали, что растущая костная ткань ведет себя как вязкая жидкость на протяжении длительного времени и поэтому принимает формы с минимальной площадью поверхности.
Такое поведение клеток определяет форму ткани, когда она вырастает на строительных каркасах.
Особенно сильной и увлекательной особенностью живых систем является их способность адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды. Человеческая кость также обладает этой способностью.
Она постоянно обновляется путем прикрепления и удаления небольших пакетов костных тканей. Этот процесс преобразования управляется механически с помощью контура управления.
В результате кость способна приспосабливаться к изменяющимся механическим требованиям.
В ответ на изменение механических нагрузок, таких как регулярные занятия спортом, кость меняет свою структуру и приспосабливается к внутренней форме.
Джон Данлоп, бывший руководитель исследовательской группы Института коллоидов и взаимодействий Макса Планка в Потсдаме, а ныне профессор биофизики Зальцбургского университета, и его команда исследовали условия, при которых костная ткань может быть лучше всего выращена.
Биологические структуры генерируются клетками, которые значительно меньше, чем образуются в результате.
Клетки даже могут почувствовать кривизну поверхности, которая намного больше их самих.
Но как клетки могут создавать сложные макроскопические формы или восстанавливать первоначальную форму во время заживления костей?
Петер Фратцль, директор Института Макса Планка в Потсдаме и соавтор исследования, в котором также участвовали исследователи из Шарите в Берлине, Вюрцбурге, Дрездене и Университета Леобена, сказал:
"Частичным ответом на этот вопрос может стать понимание того, что клетки используют поверхностную энергию для формирования формы, аналогичной сложной структуре, которая может возникнуть из поверхностной энергии мыльных пузырей".
Формы с постоянной средней кривизной.
Исследователи смогли показать, что ткань, растущая на изогнутых поверхностях, развивает формы с внешними границами постоянной средней кривизны.
Они очень похожи на формы капель жидкости, которые предполагают минимальную площадь поверхности.
Для роста клеток и тканей использовались изогнутые пластиковые поверхности, которые Себастьян Эхриг создал во время защиты докторской диссертации.
Использовался жидкий полимер, который затвердевал при высоких температурах и получался с подложкой с различной геометрией, на которой клетки могли расти и формировать новую ткань. Количество образовавшейся ткани зависело от формы подложки.
Было отмечено, что на сильно вогнутых поверхностях образуется больше ткани, что указывает на механически индуцированный биологический механизм обратной связи.
Ингибируя сократимость клеток, было доказано, что активные клеточные силы необходимы для создания достаточного поверхностного напряжения, для жидкостноподобного поведения и роста тканей.
"Это говорит о том, что передача механического сигнала между клетками и их физической средой вместе с непрерывной реорганизацией клеток и матрицы является ключевым принципом развития тканевой формы",
- подчеркивает Себастьян Эхрик, первый автор и бывший аспирант Института коллоидов и интерфейсов Макса Планка, который сейчас проводит исследования в центре Макса Делбрюка в Берлине.
Хиральные структуры.
С помощью световой микроскопии исследователи смогли получить представление о пространственной структуре тканей, и было сделано еще одно замечательное открытие:
Клетки расположились в расширенные киральные структуры, спирально намотанные вокруг капиллярных мостов.
Аналогичные структуры можно обнаружить и в остеонах - самой маленькой функциональной единице костной ткани. Остеон образуется из костно-образующих клеток (остеобластов), концентрически расположенных в четырех - 20 слоях вокруг кровеносного сосуда, замурованных в кирпичи и превращающихся в ламельные кости.
Поведение жидкостноподобных тканей является ключевым принципом для развития форм в биологических системах.
Это может иметь далеко идущие последствия с точки зрения понимания процессов заживления и развития органов, а также быть актуальным для медицинских приложений, таких как разработка имплантатов.