Геометрические различия между плоскими и сферическими слоями эпителиальных клеток
Границы клеток, соединённых в единый слой, представляют собой многоугольники, формирующие подобие мозаики.
Учёные определили, что от 40% до 60% клеток в эпителиальных слоях имеют вид шестиугольников, поскольку именно эта фигура обеспечивает максимально плотное смыкание клеток, а потому и прочность формирующихся поверхностей. Кроме того, выявлено, что в сферических слоях, по сравнению с плоскими, увеличивается доля пятиугольных клеток. При этом пяти- и семиугольные клетки стремятся расположиться рядом друг с другом.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Physical Review E и могут быть полезны для быстрого выявления патологий клеточных тканей.
Любой живой организм, развиваясь, проходит множество стадий, в ходе которых всего из одной клетки — зиготы — формируются разнообразные ткани и органы. Этот процесс сопровождается значительными изменениями формы клеток. Например, чтобы изначально плоский слой клеток «свернулся» и образовал что-то напоминающее трубку (подобная структура, в частности, формирует нервную трубку позвоночных), клетки из уплощённых должны стать похожими на конусы. Таких «геометрических» превращений в ходе развития организма происходит очень много, более того, они встречаются и во взрослом состоянии, но в этом случае они могут указывать на патологию: например, превращение нормальных клеток в раковые. Учёные исследуют правила, по которым клетки объединяются в слои различных типов, чтобы понять, какие варианты взаимодействия обеспечивают нормальное развитие, а какие могут привести к заболеваниям.
Специалисты из Южного федерального университета (Ростов-на-Дону) с коллегами из Университета Монпелье (Франция) и Университета Миннесоты (США) изучили, как клетки эпителия — ткани, покрывающей поверхность тела и внутренние органы, — соединяются между собой в плоских слоях и в структурах, напоминающих шар. Учёные рассмотрели плоские и сферические слои клеток почечного эпителия обезьяны, а также сферический слой эпителия, покрывающего яйца асцидий — наиболее просто устроенных представителей хордовых животных. Эти два типа эпителия сильно отличаются друг от друга, так как в первом клетки делятся, а в последнем уже прекратили делиться.
Оказалось, что и в плоском, и в сферическом слоях почечного эпителия обезьян почти половина клеток (39% и 48% соответственно) имеют вид неправильных шестиугольников и своими сторонами соединяются с шестью «соседями». Реже встречаются клетки, имеющие от трёх до девяти граней. Доля шестиугольников в эпителии, покрывающем яйца асцидий, существенно больше и превышает 60%. Это можно объяснить тем, что именно шестиугольники — идеальные фигуры для заполнения поверхности: их можно уложить без зазоров, при этом длина «швов» между фигурами будет меньше, чем, например, у треугольников и квадратов, что делает структуру более прочной.
Исследователи также выявили черту, отличающую сферические слои от плоских. Из-за необходимости образовать замкнутую оболочку в сферических слоях среднее число соседей у клеток перестает быть равным шести и уменьшается тем сильнее, чем меньше клеток в образце. В сферическом эпителии яиц асцидий, где доля шестиугольных клеток больше, из-за кривизны сферы образуются топологические дефекты, так называемые «рубцы» или «складки», которые представляют собой цепочки из нескольких уложенных в ряд клеток-пятиугольников или семиугольников.
Кроме того, авторы обнаружили, что только в сферическом эпителии яиц асцидий клетки-шестиугольники стремятся расположиться рядом друг с другом. Учёные предполагают, что это может быть связано с тем, что в эпителии асцидий присутствует особый тип межклеточных контактов — щелевые, — которых нет в слоях клеток обезьян.
«Нам удалось выявить геометрические различия в плоских и сферических слоях эпителиальных клеток. Это помогает лучше понять процессы, которые происходят при формировании объемных элементов тканей, например выпуклостей, сворачиваний из изначально плоских структур. Кроме того, данные наблюдения могут быть полезны при исследовании поведения опухолевых клеток, у которых при перерождении из здоровых значительно изменяется форма, свойства и характер взаимодействия с «соседями». В дальнейшем мы планируем подробнее исследовать изменения, происходящие при превращении обычного эпителия в раковый», — рассказывает руководитель проекта Дарья Рошаль, кандидат физико-математических наук, сотрудник кафедры теоретической и вычислительной физики Южного федерального университета.