Медленные механические силы тканей оказались важны для формирования органов

Раньше учёные считали, что за формирование развивающихся органов отвечает в основном биохимия генов и белков. Однако новое исследование Сиракузского университета (США) показало, что устойчивые, мощные потоки тканей могут быть столь же значимы для развития органа, как и биохимические процессы. Понимание этого физического механизма может помочь врачам в профилактике и лечении заболеваний человека.

Микроскопический вид пузырька Купфера (KV) — крошечной заполненной жидкостью структуры в форме воздушного шара у эмбрионов рыбок данио, которая играет ключевую роль в установлении симметрии тела и направляет расположение внутренних органов. Автор: Syracuse University

«Мы показали, что механические взаимодействия так же важны, как и биохимические сигнальные взаимодействия в развитии органов», — говорит М. Лиза Мэннинг, профессор физики и директор-основатель Института BioInspired при Сиракузском университете. «Они работают вместе. Это новая и развивающаяся идея, которая возникает во многих лабораториях по всей стране: механика в сотрудничестве с биохимией обеспечивает надёжное формирование органов».

Мэннинг выступила соавтором исследования, недавно опубликованного в Proceedings of the National Academy of Sciences, вместе с коллегами из Сиракузского университета и Медицинского университета штата Нью-Йорк.

Органы движутся, меняя форму

Учёные исследовали крошечную заполненную жидкостью структуру, называемую пузырьком Купфера (KV), у эмбрионов рыбок данио. Этот временный орган, состоящий примерно из 100 клеток, определяет симметрию тела рыбки и указывает, на какой стороне должны развиваться внутренние органы.

В течение своего краткого существования KV медленно проталкивается через окружающие ткани в сторону хвоста эмбриона. Это движение создаёт давление в окружающей ткани, которая также начинает мигрировать — медленно, но устойчиво и мощно.

Ранее большинство учёных полагало, что движущиеся ткани не играют значительной роли в формировании органов. Однако новое исследование показало, что медленно движущиеся ткани генерируют механические силы, способные формировать органы по мере их развития.

«В тканях вокруг пузырька Купфера существует градиент жёсткости: менее жёсткая ткань, которая течёт, как мёд, со стороны, ближней к голове, и более твёрдая ткань ближе к хвосту», — объясняет Мэннинг. — Когда этот орган, похожий на воздушный шар, движется через густую медообразную и почти твёрдую ткань, он создаёт сильные силы. И даже эти очень медленные движения тканей могут создавать удивительно большие силы».

С помощью математических моделей, визуализации в реальном времени и физических экспериментов исследователи проверили, как медленное движение тканей влияет на форму KV. Модели показали, что медленно движущиеся ткани генерируют достаточно физической силы, чтобы помочь формированию KV. Затем, используя точные лазерные инструменты, команда нарушила эти силы в живых эмбрионах. Форма органа изменилась именно так, как предсказывали их модели.

Потенциальное значение

Эти результаты могут помочь исследователям понять, как формируются части тела — не только у рыб, но и у людей, что важно для регенеративной медицины и лечения врождённых дефектов органов и других состояний.

«Я работаю с учёными, которые будут применять эти исследовательские идеи к человеческим органоидам, полезным, например, для трансплантации тканей», — говорит Мэннинг. — Мы также изучаем, как эти динамические силы влияют на раковые опухоли».

Больше информации: Raj Kumar Manna et al, Dynamic forces drive cell and organ morphology changes during embryonic development, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2418111122