Кровеносные сосуды растут под действием отрицательных зарядов

Для жизнеобеспечения всего организма, а также отдельных органов и тканей нужны сосуды. По ним кровь переносит питательные вещества, продукты метаболизма и газы. В норме образование новых сосудов (ангиогенез) наблюдается в эндометрии (внутренняя слизистая оболочка тела матки), плаценте и при заживлении ран. Если сосуды начинают активно разрастаться в здоровых тканях, то, как правило, это свидетельствует о развитии рака или других патологий. Ведь опухоли требуют дополнительного питания, поэтому они не только изменяют метаболизм, но и объедают весь организм. С изменением ангиогенеза связаны такие заболевания как атеросклероз, аутоиммунные воспаления и язвенная болезнь.

Рождение сосудов

У человека ангиогенез начинается на второй неделе эмбрионального развития, а к концу первого месяца все зародышевые сосуды уже разделены на праве и левые. И у взрослого организма, и у зародыша рост сосудов связан с появлением белков – факторов роста. Они «хватают» эдотелиальные клетки за рецепторы и заставляют их размножаться, протаскивая растущий сосуд в нужном направлении. При этом скорость размножения эндотелиальных клеток увеличивается почти в сто раз.

Ученым известны соединения, которые останавливают рост сосудов – ингибиторы ангиогенеза. Также исследователи знают, что появление факторов роста связано не только с работой вполне известных генов, но и с влиянием окружающей среды. Например, при недостатке кислорода организм пытается надышаться вдоволь. На молекулярном уровне клеточное желание вдохнуть побольше кислорода стимулирует выработку факторов роста. Поэтому неблагоприятная экологическая обстановка провоцирует онкогенез не только напрямую, но и опосредованно – усиливая рост сосудов.

Вне зависимости от того, где и почему начинают расти сосуды, образование внутренней полости (просвета сосуда, по которому протекает кровь) связано с расхождением «слипшихся» эндотелиальных клеток. Этот процесс можно сравнить с катанием «колбаски» из пластилина, внутри которой ребенок делает дырку. Исследователи из Германии, Словакии и Швейцарии под руководством Бориса Стрилика (Boris Strilic) из Института кардиологических и пульмонологических исследований Общества Макса Планка (Max Plank Institute for Heart and Lung Research) выяснили, какие механизмы «дырявят» прорастающий сосуд.

Бой зарядов

Животные клетки (в отличие от бактериальных, грибных и растительных), отделены друг от друга лишь мембраной -- двойным слоем липидов, структура которого пронизана белками. В зависимости от функций, свойства и химический состав клеток отличаются друг от друга. В некоторых клетках верхушечные части протеинов (те, что находятся снаружи клеточной мембраны) содержат большое количество сиаловой кислоты (NANA). Сиаловая кислота создает общий отрицательный заряд клеточной поверхности. Борис Стрилик и его коллеги предположили, что именно отрицательные заряды на поверхности эндотелиальных клеток инициируют формирование просвета сосудов.

Они проанализировали развитие аорты у мышиного эмбриона. С помощью соединений, которые способны специфично связывать остатки углеводов на поверхности клеточной мембраны (лектинов), и маркера PODXL ученые выяснили, что остатки сиаловой кислоты «расталкивают» слипшиеся клетки.

Во втором эксперименте исследователи ввели в аорту эмбриона фермент сиалидазу, который удаляет остатки сиаловой кислоты. Таким способом они отобрали у клеток отрицательный заряд. Через некоторое время биологи сравнили эмбрионы из контрольной и экспериментальной групп. Оказалось, что у экспериментальных мышей просвет аорты значительно меньше. Аорта так и не стала полноценной. Лишь на участках, далеких от места инъекции, сосуды развивались нормально.

Биологи попытались дать процессу обратный ход и восстановить отобранный заряд. Правда, с помощью другого соединения – сульфата декстрана. Как и предполагалось, отрицательный заряд, привнесенный в эндотелиальные клетки, «подлечил» плохо продырявленные сосуды.

В третьем эксперименте естествоиспытатели не отбирали у клеток сиаловую кислоту, а нейтрализовали ее с помощью положительно заряженных частиц -- катионов. Просвет аорты, на которую воздействовали положительными ионами, был меньше по сравнению с контрольной группой.

По результатам трех экспериментов ученые сделали вывод, что бой между отрицательно заряженными клетками способствует формированию полноценных сосудов.

Клеточный аттракцион

Заключительный эксперимент (in vitro) ученые провели от обратного, проверив адгезию эндотелиальных клеток. Для этого на наклоненном (угол наклона 20^о) коллагеновом субстрате биологи вырастили «клеточные горки» -- монослои культуры клеток пупочной вены человека. В эксперименте естествоиспытатели проводили эстафету между «бусинками», покрытыми точно такими же клетками. По аналогии с предшествующими экспериментами исследователи изменяли условия эстафеты, то нейтрализуя, то восстанавливая клеточный заряд системы «шарик-горка». Оказалось, что в контрольной группе (система состоит из клеток с сиаловой кислотой) шарик проходил максимальное расстояние. В остальных экспериментах шарик либо вовсе не скатывался, либо останавливался на одной десятой пути. Столкнуть залипшие бусинки можно было, лишь добавив в систему отрицательный заряд. Такие же результаты ученые получили, визуализировав ангиогенез в 3D формате.

На рисунках и фото, полученных по результатам экспериментов, видно, что отрицательный заряд сиаловой кислоты (обозначен зеленым цветом) расталкивет клетки сосудов и формирует полноценный просвет (A, B, C). Сосуд, лишенный сиаловой кислоты, прорастает вглубь (D, E), но «дырявится» лишь на 20 % (F). Катионы (обозначены красным цветом) частично нейтрализуют заряд сиаловой кислоты, из-за чего развивается «продырявленный», но неполноценный сосуд (G, H, I).

Подробнее о результатах проведенного исследования можно прочитать в статье Electrostatic Cell-Surface Repulsion Initiates Lumen Formation in Developing Blood Vessels, которая появится первого ноября, в печатной версии журнала Current Biology.