Поэтому именно тело в целом, на уровне макромасштабов — метров, сантиметров и миллиметров — взаимодействует с внешней силой тяжести, которая и является главным источником механического воздействия на организм извне, через ее динамические проявления в виде дифференциальных угловых скоростей и сил реакции опоры, проявляющих себя на временных диапазонах от минут до миллисекунд. И только пройдя через динамическую механограницу тела в целом и претерпев первичные преобразования на уровне макромасштабов, эти взаимодействия затем передаются внутрь, по каскадам, вплоть до клеточного и биомолекулярного уровня (Levin, 2017). Развитие тканей До недавнего времени внеклеточный матрикс (ВКМ) считался не более чем пенопластовым упаковочным материалом клеток. Это было связано с тем, что по сравнению с эпителиальными и мышечными клетками ВКМ метаболически беден (в основном это коллаген, эластин и протеогликаны) и структурно относительно однороден по всему организму, а доминирующим типом клетки является достаточно простой по строению фибробласт. На самом же деле реальность современных более точных наблюдений показывает, что индивидуальные клетки (их оболочки, внутриклеточная структура, ядро) структурно и функционально неразделимы с ВКМ (Rozario & DeSimone, 2010). В частности, с одной стороны, мобильные (способные к перемещению по организму) фибробласты — как своего рода паучки в сетях ВКМ — ответственны за воспроизводство ВКМ: как разных типов волокон, составляющих ВКМ (коллагена, эластина и фибронектина), так и его основного вещества (базовой субстанции межклеточной жидкости) — протеогликанов. С другой стороны, именно ВКМ обеспечивает структурную и химическую среду, позволяющую клеткам нормально функционировать — клетки, лишенные окружения ВКМ, неспособны выживать (Humphrey et al., 2014). Кроме того, фибробласты наряду с другими клетками также образуют ретикулярную сеть по всему телу, которая поддерживает нормальные процессы натяжения и восстановления тканей (Dittimore et al., 2016; Chaitow, 2017) и регулирует ток межклеточных (интерстициальных) жидкостей (Rutkowski & Swartz, 2007; Langevin et al., 2013). Рис. 5.8. Последовательность изменений, которые могут произойти в эпителиальном клеточном листке. (После Ingber, 2006b). (А) Клетки прикреплены друг к другу и к натянутой базальной мембране (БМ). (B) Изменения в активности цитоскелета могут привести к выработке ферментов, которые локально разлагают БМ. (C) Растяжение более тонкой БM деформирует клетки и меняет их функцию. (D) Развитие зачатка конечности, ветви или трубки. (E) Эпителиально-мезенхимальный переход в подвижные клетки В период эмбрионального развития реципрокный обмен натяжением между цитоскелетом и ВКМ, в сочетании с влиянием химических митогенов (пептидов или небольших белков, индуцирующие клеточное деление митоз), может вызывать изменения в клеточной активности, способствуя выработке ферментов, разрушающих базальную мембрану (ВКМ) под клеткой (рис. 5.8).
Поскольку это приводит к локальным изменениям ее толщины, внутреннее натяжение ткани может способствовать растяжению и реорганизации ВКМ, что приводит к развитию более сложных паттернов, таких как почкование (формирование зачатков) (конечности), ветвление (альвеолы) и образование трубки (капилляры) (Andrew & Ewald, 2010; Nelson, 2016) или к переходу из эпителия в подвижные мезенхимальные клетки, которые мигрируют в другой регион (Ingber et al., 2014; Mercker et al., 2016). Движение клеток Хотя способность клеток прикрепляться к нижележащему субстрату и создавать силу натяжения была известна уже довольно давно (Harris et al., 1980), именно модель биотенсегрити дала наиболее полное объяснение тому, каким образом клетки способны продвигаться и перемещаться внутри тканей. Например, мезенхимальные клетки — фибробласты, остеобласты, миобласты и др. — часто начинают перемещаться из одного региона в другой в ответ на силы натяжения и химические сигналы (морфогены), которые распространяются через внеклеточный матрикс (ВКМ). Такое перемещение осуществляется клетками путем координированных циклических изменений в биомеханической тенсегрити-структуре своих цитоскелетов. Это происходит следующим образом: сначала клетки прикрепляются к относительно жесткому ВКМ через связывающие центры фокального контакта — процесс, который приводит к тому, что натянутые актиновые волокна одной части клетки реорганизуются в пучки базальных стрессорных волокон (рис. 5.3) и вышележащий апикальный купол. При этом базальные стрессорные волокна функционируют как жесткие тенсегрити-распорки, способствующие образованию подвижной филоподии (рис. 5.9). Затем дальнейшие изменения цитоскелета создают новые адгезивные участки вблизи переднего края, что способствует закреплению клетки и приводит к образованию второй филоподии при повторении процесса, в результате чего клетка продвигается вперед (Stamenović & Ingber, 2009; Ladoux & Nicolas, 2012).