|
|
5. Клетка
(приводится по тексту:
Регирер С.А. Биомеханика. Обзор. Ин-т механики МГУ. Москва. 1990. - 71c.)
Механика клетки изучает, во-первых, свойства клетки и ее элементов, в первую очередь клеточной мембраны, цитоплазмы и цитоскелета, и, во-вторых, различные виды движений на клеточном и субклеточном уровнях, включая собственно гидродинамические свойства клетки. Фундаментальный интерес представляют механизмы, обеспечивающие деление, рост и подвижность клетки, клеточные взаимодействия и реакции клетки на внешние стимулы. Прямые практические приложения исследований по механике клетки весьма разнообразны. К их числу относятся испытание действия лекарственных веществ (например, для клеток миокарда), создание искусственных клеток крови, мембранных пузырьков (липосом) для введения лекарственных веществ в клетку. Для решения ряда задач медицины и биотехнологии необходимы подробные сведения о механической прочности некоторых видов клеток и их ассоциаций.
В число основных объектов исследования входят клетки крови, мышечные и эндотелиальные клетки, клетки рецепторных органов, клетки развивающихся тканей (включая растительные) и опухолей. Изучению подлежат одиночные клетки, включая одноклеточные организмы, клетки в культуре, во взвесях и в интактной ткани.
Содержимое клетки - от внешней среды, или одна "часть" клетки - от другой отделены тонкой (~100 А) биологической мембраной . Биологические мембраны и, отчасти, их искусственные аналоги представляют для механики уникальный объект исследования - двумерную сплошную среду [10,19-с. 102-129; 20-с. 102-111; 47] с чрезвычайно богатым набором взаимосвязанных физико-механических свойств и эффектов. С одной стороны, реологические свойства мембраны зависят от ее состава и трансмембранного электрического потенциала; с другой - деформирование мембраны ведет к изменениям состава, потенциала, проницаемости для ионов и т. п. Мембрана как механохимический преобразователь энергии поддерживает разность концентраций ионов внутри и вне клетки (или органеллы), благодаря молекулярным "насосам", переносящим ионы в направлении, противоположном диффузионному [10,34,48].
На основе изучения искусственных бислойных мембран и мембран эритроцитов разработаны представления об их реологических свойствах; моделью мембраны можно считать двумерную несжимаемую вязкоупругую жидкость, сопротивляющуюся, вообще говоря, изгибу своей поверхности [49]. Существующие теории, подкрепленные экспериментальными данными, позволяют объяснять многие важные эффекты: равновесную форму мембраны и смену ее (для эритроцита) при определенных условиях, образование пор в мембране, характер деформирования при сжатии между пластинками и втягивании в пипетку, электрический пробой, основные стадии слияния и разделения и т. п. [17-т. 3, с. 97-136; 50-54; 55-с. 11-54].
Массоперенос через мембрану осуществляется благодаря обычной диффузии, диффузии с участием переносчиков, электродиффузии и активному транспорту. Для возбудимых мембран (по которым, как по коаксиальному кабелю, может распространяться слабозатухающий электрический сигнал) подробно разработана теория, которой можно пользоваться при решении практических задач [56]; эта теория открыта для дальнейшего усовершенствования с учетом электромеханических эффектов, сложного строения примыкающих к мембране сред и т. д. Менее изучены явления латеральной, т.е. вдоль поверхности, диффузии в мембранах [57]. Существенно, что на все эти явления переноса, как и на обмен молекулами между слоями мембраны, оказывает влияние ее напряженно-деформированное состояние [58]. Благодаря во многом еще загадочной способности мембраны сливаться с приходящим к ней мембранным пузырьком (везикулой) или "отщеплять" от себя такой пузырек, клетка и органеллы могут обмениваться с окружающей средой очень крупными частицами (эндоцитоз).
Цитоплазма представляет собой неоднородную неньютоновскую жидкость, характерная вязкость которой в несколько раз выше вязкости воды. Экспериментальное определение вязкости представляет собой сложную задачу [10,59,60]. Для некоторых организмов одна из стадий развития состоит в образовании плазмодия, т.е. в слиянии многих клеток. Многие свойства цитоплазмы удается изучать на этой естественной "модели". Из плазмодия путем специальной обработки можно выделить снабженные мембраной сферические фрагменты, служащие механической моделью клетки.
Поддержание клеткой своей формы и ее жесткость как конструкции в большинстве случаев нельзя объяснить только свойствами мембраны и цитоплазмы. Открытие белкового цитоскелета, т.е. своего рода внутреннего каркаса, который примыкает к ли-пидному бислою мембраны, а у многих клеток еще и образует объемную структуру, позволило предложить новые идеи для объяснения невозмущенной формы клеток и механизмов ее изменения [55-С.11-54]. Следует упомянуть, что даже "в покое" поверхность клетки не является стационарной, а совершает беспорядочные мелкомасштабные колебания, которые рассматриваются как проявление теплового движения в частице с большим числом внутренних степеней свободы [ 8-т. 1, с. 60-65; 61].
Клетки крови (эритроциты, лейкоциты, тромбоциты) принадлежат к числу наиболее изученных в экспериментальном отношении [18,49,62]. Эритроциты млекопитающих и птиц остаются основной экспериментальной моделью для изучения клеточных мембран и основным объектом приложения теоретических построений. В последние годы получены некоторые экспериментальные данные о механических свойствах лейкоцитов [18,63,64] и тромбоцитов [65,65а]. Основная проблематика исследований клеток крови связана с их вкладом в реологические свойства крови и тромбообра-зование, а также с проблемой предотвращения травмы клеток в системах искусственного кровообращения [62]. Очевидно, что в отличие от большинства иных типов клеток, клетки крови должны исследоваться с точки зрения их деформирования при сдвиговом течении крови и продвижении по капилляру [11,12,18,62].
В основе экспериментов с одиночными изолированными клетками лежит стремление изучить их собственные свойства, присущие им независимо от ее естественного окружения - других клеток и внеклеточного вещества - при строго контролируемых внешних условиях, в том числе таких, которые моделируют патологические состояния. Разумеется, изолированная клетка отличается от интактной клетки в ткани даже при самых совершенных методах выделения, когда повреждения не выявляются электронной микроскопией. Однако эти неизбежные различия являются разумной платой за возможность проведения таких наблюдений , которые затруднительны или вовсе неосуществимы в толще ткани. Специальные исследования показывают, что во многих ситуациях результаты опытов с одиночными клетками могут быть перенесены на клетки в физиологических условиях. На уровне одиночных изолированных клеток исследуют их ультраструктуру, пассивные механические свойства и сократительную способность, транспорт и кинетику ионов, метаболическую активность, электрические свойства мембраны и многое другое [55-с.127-141; 66,67].
Наиболее распространены эксперименты с мышечными клетками (миоцитами) лабораторных млекопитающих и лягушки; постепенно накапливаются сведения о свойствах кардиомиоцитов человека .
Сокращение миоцитов вызывают электрическим стимулом или иным способом. В скинированных клетках изменение концентрации Са в миофибриллярном пространстве достигается просто быстрой сменой омывающего раствора. Состояние клеток с интактной мембраной можно изменить несколькими способами: ионофорезом, быстрым изменением температуры [68] и т.п.
Одним из интересных феноменов, обнаруженных одновременно с разработкой методов выделения кардиомиоцитов, является их "спонтанная активность", т.е., способность к механическому сокращению, деполяризации мембраны или выбросу Са из внутриклеточных емкостей без участия специфических внешних стимулов, например, электрических [55-с. 127-141; 67,69,70].
Подвижность представляет собой универсальное свойство клеток, хотя в естественных условиях оно может и не проявляться. Формы подвижности весьма разнообразны , но в их основе лежат одни и те же механизмы, в первую очередь, перестройки цитоскелета, как объемного, так и примембранного, а также переходы гель-золь в цитоплазме [38, 71, 71 а, 716, 71 в]. В управлении подвижностью, как правило, участвуют ионы Са. Некоторые клетки активно изменяют форму, используя осмотические эффекты. Теоретические модели немышечной подвижности пока ограничены по своим возможностям и труднопроверяемы [72-с.3-142; 73-74а].
Большинство наблюдений над движением клеток, особенно немышечных, ограничивается регистрацией перемещений и изменения формы, реже - внутренней структуры. Иногда этого достаточно для практических целей (скажем, для различения нормальных и измененных клеток), но остается открытым основной вопрос о физической природе подвижности и величине действующих сил. Задача реконструкции механизма движения и оценки сил по кинематическим параметрам является одной из центральных в биомеханике как клетки, так и многоклеточных организмов (см. разделы 24, 25, 26,27). С формальной точки зрения эта задача не имеет однозначного решения, поэтому приходится привлекать дополнительные экспериментальные данные и теоретические гипотезы. Измерение усилий в клетке - задача, не решенная в полной мере до сих пор. Трудности связаны не столько с необходимостью регистрации малых усилий (порядка 0.001 дин), сколько с осуществлением прикрепления клетки к элементу измерительного устройства.
Одно из направлений биомеханики клеток - изучение механических явлений, которые сопровождают нормальное функционирование различных "неподвижных" клеток. К наиболее интересным и труднообъяснимым феноменам относятся постоянно существующий перенос веществ в цитоплазме аксона от тела нервной клетки (аксоплазматический транспорт [75]) и волны деформации, следующие по аксону вслед за распространяющимся нервным (т.е. электрическим) импульсом [76,77]. Первое из этих явлений имеет, видимо, существенное физиологическое значение, однако его природа, несмотря на обширный наблюдательный материал, остается неясной, а предлагаемые гипотезы - чисто описательными. Второе явление, как подсказывают теоретические модели [78,78а], есть физически неизбежное следствие действия электростатических сил.
Способность клеточных мембран генерировать распространяющийся сигнал в ответ на механические, тепловые и иные воздействия - главное свойство рецепторных клеток, которыми оснащены не только органы чувств, но и скелетные мышцы, стенки кровеносных сосудов, дыхательных путей, мочевого пузыря и т. д. [18, 58, 79]. Одна из главных биомеханических задач в изучении рецепторных клеток - установление связи между механическим воздействием и электрическим сигналом. Среди исследований такого рода - анализ работы чувствительных волосковых клеток внутреннего уха [79], клеток в основании "усов" у кошек и грызунов [80], клеток в мышечных веретенах [79,81] и т.д.
Длительное время считалось, что эндотелиальные клетки, изнутри выстилающие поверхность всех кровеносных сосудов, играют исключительно пассивную роль барьера между кровью и окружающей тканью. Выяснилось, однако, что клетки эндотелия синтезируют физиологически активные вещества, воздействующие, в частности, на гладкие мышцы сосудов, а скорость синтеза зависит от напряжений и деформаций в клетке (см. далее разд. 9,15). Это открытие стимулировало начало детального изучения механических свойств эндотелиальных клеток (см. [55 - с. 142-207]).
Клетки растений имеют снаружи от клеточной мембраны еще клеточную стенку , обладающую значительной толщиной и жесткостью. Эта стенка из целлюлозных волокон доступна для диффузии низкомолекулярных веществ. Внутри клетки имеется заполненная водой вакуоль, от которой цитоплазма отделена специальной мембраной. В цитоплазме некоторых растительных клеток имеются крахмальные гранулы, оседающие в поле силы тяжести и, через посредство рецепторных зон мембраны, обеспечивающие гравичувствительность клетки. Растительные клетки могут отвечать на механическое раздражение изменением синтеза белков [82]. Основные механические задачи для растительных клеток связаны с их квазистатическим равновесием [83,84] и с особыми формами подвижности, которые почти целиком обусловлены осмотическими эффектами: повышение давления в клетках изменяет как их собственную конфигурацию, так и конфигурацию органа [71]. Раскрытие и закрытие устьиц в листьях обеспечивается именно этим механизмом (см. разд. 24 и [85]).
Внешний массообмен клетки определяется свойствами ее мембраны, составом окружающей среды и химическими реакциями в цитоплазме и органеллах. С точки зрения биомеханики представляет интерес транспорт не только ионов и питательных веществ, но и воды. Вопрос о том, как различные клетки регулируют свой объем [86, 8ба,87] и состав внутренней среды, приводит к необходимости изучения взаимодействия между массообменом клетки и ее деформированием. Когда осмотические эффекты приводят к чрезмерному повышению внутриклеточного давления, мембрана клетки может разрушиться. Теория предсказывает, что возможны различные типы такого разрушения, в том числе режим колебаний диаметра образующихся в мембране пор. Значительную роль во внешнем массообмене клеток играют процессы эндоцитоза.
Для растительных клеток существенны перенос веществ через специальные каналы, соединяющие клетки между собой, и загрузка клеток сахарами, а также процессы в ситовидных элементах [83].
Контакты клеток с твердой подложкой имеют адгезионную природу.
Контакты клеток с твердой подложкой имеют адгезионную
природу, и в них участвуют как мембрана, так и белки
цитоскелета [87а,497]. Как правило, контакт осуществляется по
поверхностям множества нерегулярных микроскопических выступов
мембраны - фокальным контактам или адгезивным пластинкам.
Аналогичную структуру иногда имеют и межклеточные контакты.
По одной из хорошо проработанных гипотез образование этих
микровыступов является результатом механической
неустойчивости сплошного контакта [88]. Подвижность и смена
выступов являются механизмом распластывания клетки на
подложке и последующего ползущего движения [38,71,71а,89].
Удается наблюдать движение клетки на очень тонкой
деформируемой подложке, по сморщиванию которой можно судить о
силах взаимодействия на контакте при движении
[72-c.3-142;90].
Движение клетки по субстрату сопровождается многими
интересными явлениями, природа которых остается неясной.
Например, микроскопические частички, прикрепленнные к
мембране мигрирующей клетки, практически не смещаются
относительно ее краев, что означает отсутствие проворачивания мембраны. Вместе с тем, клетка может оставлять вдоль своего пути след на субстрате, и этот след содержит специфические для клетки белки.
Межклеточные контакты имеют особо важное значение для
жизнедеятельности клеток в культуре и в ткани,
обеспечивая механическую прочность, передачу электрического
сигнала, диффузионный перенос ионов и метаболитов [457].
Адгезионые свойства клеток играют роль управляющего параметра
в процессах фагоцитоза, сортировки эмбриональных клеток,
образовании тромба на поверхности сосудистой стенки,
метастазировании опухолей и т.д. Поэтому в биомеханике клетки
изучают все эти свойства контактов как на агрегатах из двух
клеток, так и на многоклеточных препаратах. Основными
объектами изучения служат эпителиальные клетки [458], клетки
миокарда [67] и печени (гепатоциты) [459], клетки сосудистого
эндотелия и различные опухолевые клетки (см. также разд.6).
Деление животных клеток, изучаемое как одно из проявлений немышечной подвижности, во многом остается загадкой и для биологов, и для биомехаников
[38,71,72-c.3-142; 98,99,100]. Этот круг исследований
начинается с изучения движения и изменения структуры половых
клеток, механизма слияния мембран при оплодотворении
яйцеклетки и т.п. Часто делению яйцеклетки предшествуют
контрактильные волны на ее поверхности [67]; само деление
как-то связано с образованием и сокращением контрактильного
кольца, а также внутренних тяжей, которые как бы
'растаскивают' органеллы. Механические свойства мембраны и
клетки изменяются во время деления. Специальные приемы
измерений, разработанные в последнее время и математические
модели, позволяют утверждать, что механические факторы играют
в процессе деления клеток первостепенную роль. Рост клетки,
как и любого другого биологического объекта [72-c.3-142],
также является предметом изучения в биомеханике. Примером
могут служить эксперименты с клетками на циклически
деформируемой подложке, построение моделей удлинения аксона и
т.д. В частности, именно для растущего аксона удалось
установить возможность прямого влияния внешних сил на
скорость ростовой деформации.
Растительные клетки заметно отличаются от животных по
закономерностям деления и роста. В зонах деления (в корне и
стебле) происходит увеличение числа клеток с незначительным ростом продольного размера; в зонах "растяжения" клетки не делятся, но быстро увеличиваются в размерах; в зонах покоя идет лишь медленная перестройка клеточной стенки. Все три названных процесса в известной мере контролируются внешним массообменом, напряжениями на контакте со смежными клетками и внутриклеточным давлением [83,100-102] (см. далее разд. 24,30).
Для современной биомеханики характерно проникновение ее методов как в фундаментальные общебиологические исследования, так и в узкоспециализированные прикладные разработки [4-с. 233-245]. Одно из направлений, делающее сейчас первые шаги и, вместе с тем, обладающее особенной важностью, порождено проблемами онкологии. В сферу интересов этого направления входят механические свойства опухолевых клеток и тканей, механизмы подвижности и прикрепления клеток, закономерности роста опухолей и сосудистой сети в них, особенности кровоснабжения опухолевой ткани, тепло- и массоперенос в опухолях, процессы метастазирования при участии кровеносных и лимфатических путей, некоторые способы диагностики и воздействий на опухоль, и многое другое [8- т. 1, с. 325-330; 8а-с.259-269; 72-С.З-142; 103].
Основная особенность опухолевых клеток - способность к неконтролируемой пролиферации, обеспечиваемая в частности, отсутствием контактного ингибирования. Хотя выяснение природы этого феномена лежит, в общем, за пределами биомеханики, нельзя не обратить внимание на его корреляцию с рядом фактов, относящихся к микромеханике клетки. Считают, что факторы роста через посредство рецепторов клеточной мембраны воздействуют на цитоскелет, а через него - на ядро клетки. Изменения белков, в первую очередь ДНК, регистрируются при вискозиметрии соответствующих растворов [46]. Трансформация клеток сопряжена с изменениями цитоскелета. Разрушение микрофиламентов ведет к тому, что клетка принимает форму, близкую к сферической. Поэтому форма клетки служит, в известной мере, индикатором злокачественности.
Эксперименты свидетельствуют, что биологические процессы в клетке неизбежно отражаются на ее интегральных физико-механических свойствах. В свою очередь, механические свойства клеточной мембраны и цитоскелета служат фактором регуляции клеточного цикла [72-с.3-142;104,105]. Контакт опухолевых клеток с субстратом или межклеточные контакты слабо влияют на рост клеточной популяции; адгезивная способность опухолевых клеток сильно понижена. Распластывание злокачественных клеток сильно отличается от присущего нормальным клеткам как на жестком , так и на легкодеформируемом субстрате [103,105]. Делаются попытки установить различия в вязкости цитоплазмы нормальных и опухолевых клеток. Опубликованы данные о том, что для разрушения опухолевых клеток клетками-киллерами существенно различие деформируемости киллера и мишени. Механическая прочность опухолевых клеток сильно понижена в сравнении с нормальными, и это порождает идеи о возможности их естественного или искусственного разрушения; в частности, обсуждается использование для этого ультразвуковых и ударных волн.
В опухолевых клетках наблюдается изменение транспортных свойств мембран, в частности, усиление латеральной диффузии, снижение микровязкости и сдвиг температуры фазового перехода липидов [104,105]. На основе анализа этих и других данных развиты теоретические соображения, которые позволили приблизиться к пониманию многих особенностей опухолевых клеток, в том числе их повышенной чувствительности к тепловым воздействиям [103].
Еще одна ветвь биомеханических исследований последнего времени связана с проблемой метастазирования. Расположение областей наиболее вероятного образования метастазов коррелирует с расположением первичной опухоли из-за переноса опухолевых клеток по кровеносным (и лимфатическим) сосудам [103]. Клетки первичной опухоли, попадающие в сосуды, увлекаются потоком, пока не оказываются в условиях, допускающих их адгезию к стенке сосуда. Однако выживает лишь малая доля клеток, так как благодаря своей малой прочности, они разрушаются (особенно в микрососудах малого круга) или необратимо травмируются под действием гидродинамических сил. Возможно, теоретически определить условия, при которых опухолевая клетка свободно проходит через сосуд, прикрепляется к его поверхности или разрушается.
Некоторые типы опухолевых клеток обладают способностью к активному сокращению в ответ на повышение концентрации ионов Са в окружающей среде [90]. Это малоизученное свойство также существенно для инвазии клеток и образования метастазов.
Механическая прочность представляет интерес не только для опухолевых клеток и клеток крови, но и для некоторых других объектов, например, растительных и бактериальных клеток, имеющих прочную клеточную стенку [106], - обычно в связи с технологическими приложениями.
|
