Кости и скелетные мышцы часто рассматривают как отдельные ткани с разными функциями, однако они работают как высокоинтегрированная система. Вместе они обеспечивают движение, поддерживают осанку, регулируют обмен веществ и помогают сохранять общее здоровье. Ученым давно известно, что кости и мышцы взаимодействуют посредством биохимических сигналов, но понимание того, где именно происходит этот молекулярный диалог и какие клетки в нем участвуют, остается серьезной проблемой. Традиционные геномные технологии позволяют идентифицировать гены, экспрессируемые в тканях, но часто теряют пространственную информацию, необходимую для понимания того, как соседние клетки взаимодействуют в естественной среде.
Для решения этой задачи исследовательская группа под руководством профессора Хонг-Вэнь Дэна, директора Центра биомедицинской информатики и геномики Тулейнского университета, применила пространственную транскриптомику — новую технологию, которая позволяет отображать активность генов непосредственно в интактных тканях, — для изучения бедренной кости мыши и прилегающих к ней скелетных мышц. Сочетая этот подход с передовыми вычислительными инструментами, ученые реконструировали клеточные сообщества и коммуникационные сети на границе кости и мышцы. В результате анализа были получены данные по 2660 пространственным точкам, которые позволили выявить несколько основных популяций клеток, участвующих в тканевой коммуникации. Результаты работы были опубликованы в журнале Bone Research.
Исследование показало, что кости и мышцы связаны через удивительно сложную систему коммуникации, в которой участвуют остеобласты, клетки скелетных мышц, эндотелиальные клетки, иммунные клетки и популяции стволовых клеток. Ученые выявили 13 основных сигнальных путей, которые координируют поддержание и ремоделирование тканей. Некоторые из этих путей связаны с белками внеклеточного матрикса и факторами роста, которые помогают клеткам обмениваться информацией, регулировать структурную целостность и реагировать на физиологические потребности. Полученные данные свидетельствуют о том, что коммуникация между тканями не случайна, а организована в виде отдельных пространственных сетей, формируемых локальным клеточным окружением.
Одним из наиболее значимых открытий исследования стало выявление конкретных пар лиганд-рецептор, которые действуют как молекулярные мессенджеры между соседними клетками. К ним относятся передача сигналов между остеобластами и мышечными клетками, опосредованная коллагеном коммуникация с участием иммунных клеток и передача сигналов под действием фактора роста эндотелия сосудов, поддерживающая функцию сосудов.
Лабораторная визуализация подтвердила колокализацию нескольких предполагаемых молекулярных партнеров в ткани, что укрепило доверие к результатам компьютерного моделирования. Дополнительная проверка с использованием независимых наборов данных по мышам и людям подтвердила многие из выявленных путей, что позволяет предположить, что некоторые механизмы коммуникации могут быть общими для разных видов.
«Наша цель состояла в том, чтобы не просто определить, какие гены присутствуют в организме, а понять, как клетки взаимодействуют в естественной тканевой среде», — объяснил профессор Дэн. «Сохраняя пространственную информацию, мы смогли выявить коммуникационные сети, которые было бы сложно обнаружить с помощью традиционных методов секвенирования».
Эта работа также открывает возможности для сотрудничества в таких областях, как биология костной ткани, физиология мышц, регенеративная медицина, исследования старения, биоинформатика и прецизионная медицина. Поскольку такие заболевания, как остеопороз, саркопения и нарушения обмена веществ, часто сопровождаются одновременным ухудшением состояния костей и мышц, более четкое понимание перекрестных взаимодействий между тканями поможет определить общие терапевтические цели. В краткосрочной перспективе это исследование станет ценной отправной точкой для изучения того, как эти сигнальные сети меняются при травмах, старении или прогрессировании заболеваний.
«Понимание путей клеточной коммуникации дает нам основу для изучения того, что идет не так при заболеваниях опорно-двигательного аппарата, — говорит профессор Дэн. — В будущем эти знания помогут в разработке методов лечения, которые восстановят здоровую связь между тканями».
[Фото: kjpargeter / Magnific.com]
