В процессе развития любой живой организм проходит множество стадий. И всего из одной клетки – зиготы – формируются разнообразные ткани и органы. При этом, данный процесс сопровождается значительными изменения формы клеток. Например, чтобы изначально плоский слой клеток «свернулся» и образовал что-то напоминающее трубку (подобная структура, в частности, формирует нервную трубку позвоночных), клеткам необходимо из уплощенных стать похожими на конусы. Известно, что подобных «геометрических» превращений происходит очень много как в ходе развития организма, так и во взрослом состоянии. Однако во втором случае они могут свидетельствовать о патологии, например, о превращении нормальных клеток в раковые. Чтобы понять, какие варианты взаимодействия обеспечивают нормальное развитие, а какие могут привести к заболеваниям, ученые изучают и анализируют правила, по которым клетки объединяются в слои различных типов.

Так, в недавнем исследовании специалисты Физического факультета ЮФУ совместно с коллегами из Университета Монпелье (Франция) и Университета Миннесоты (США) изучили, как клетки эпителия соединяются между собой в плоских и сферических слоях. Они рассмотрели плоские и сферические слои клеток почечного эпителия обезьяны, а также сферический слой эпителия, покрывающего яйца асцидий — представителей хордовых животных. Эти два типа эпителия существенно отличаются друг от друга, так как клетки в первом типе делятся, а во втором – уже прекратили.

Оказалось, что в обоих типах слоев почечного эпителия обезьян около половины клеток (39% и 48%) имеют форму неправильных шестиугольников и соединяются с шестью «соседями». Реже встречаются клетки, имеющие от трех до девяти граней.  Доля шестиугольников в эпителии, покрывающем яйца асцидий, существенно больше и превышает 60%, что может быть связано с их идеальной фигурой – шестиугольником. Именно он является лучшим для заполнения поверхности 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.

Интересно, что только в сферических слоях эпителия асцидий клетки-шестиугольники склонны располагаться рядом друг с другом, возможно, благодаря особому типу межклеточных контактов – щелевым – 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», — рассказала руководитель проекта, кандидат физико-математических наук, сотрудник кафедры теоретической и вычислительной физики Физического факультета ЮФУ Дарья Рошаль.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале «Physical Review E» и могут быть полезны для быстрого выявления патологий клеточных тканей.

Информация предоставлена Пресс-службой Российского научного фонда (РНФ).