На звук реагирует не только мозг, но и все клетки тела

Эукариотические и прокариотические клетки оснащены разнообразными механосенсорными системами. Проводились исследования, посвященные реакциям клеток на контактное давление, осмотическое давление, напряжение сдвига, растяжение и сжатие, а также эластичность субстрата. Ученые показали, что клетки используют механические стимулы в качестве источника важной информации об окружающем мире для оптимизации своей внутренней деятельности. Однако влияние звука на клетку практически не изучалось, что постарались исправить в новой работе исследователи из Японии.

Звук представляет собой компрессионную механическую волну, которая передает колебательное и флуктуирующее давление через субстрат. Обычно звук в слышимом диапазоне (от 20 Гц до 20 кГц) воздействует на нас с давлением в несколько Па на воздухе и в несколько кПа в воде. Мы воспринимаем звук не только ушами, его передают также кости и мягкие ткани, создавая в организме сложную акустическую среду.

Авторы сконструировали систему прямого излучения звука с использованием вибрационного преобразователя для создания акустических волн непосредственно в культуральной среде. Интенсивность звука измеряли в среде гидрофоном, а затем рассчитывали давление. С помощью этой конструкции клеткам можно передать до 100 Па звука без передачи тепла.

В среду поместили мышиные миобласты C2C12, на них воздействовали звуком частотой 440 Гц, 14 кГц и белым шумом в течение двух или 24 часов с давлением 100 Па. После этого выделяли и секвенировали РНК. После двух часов воздействия было выявлено 42 дифференциально экспрессируемых гена (33 экспрессировались на более высоком уровне, чем контроли, 9 — на более низком), через 24 часа — 145 генов (86 экспрессировались на более высоком уровне, 52 — на более низком, 7 — в зависимости от частоты).

Гены раннего ответа реагировали схожим образом на три звуковых паттерна, но через 24 часа появлялись уникальные для частоты звука характеристики. Стимуляция звуком в 14 кГц в некоторой степени вызывала эффект гипоксии и провоцировала соответствующий ответ в клетках. Аннотация генов выявила влияние звука на такие процессы, как реакция на напряжение сдвига, миграция и адгезия, развитие кровеносных сосудов, апоптоз, синаптическая передача и ритмические процессы. Активность большей части генов возвращалась к изначальным уровням через два часа в тишине после двухчасового воздействия. Если звуковое воздействие повторить через 24 часа, большинство генов реагируют повторно.

Воздействие звуком с давлением 10–250 Па пропорционально изменяло эффект на уровень транскрипции в клетках. Несколько генных реакций были нивелированы или даже обращены вспять при высокой или низкой плотности клеток.

Авторы сосредоточились на двух генах как на маркерах ответа на звук, так как у них был выявлен сильный и устойчивый ответ при различных клеточных и звуковых условиях. Это были ген простагландин-эндопероксидсинтазы 2 Ptgs2 (также известный как Cox-2) и фактора роста соединительной ткани Ctgf (также известный как Ccn2). Исследователи воздействовали на клетки через динамики, что создавало сложное акустическое поле, так как звук передавала не только среда, чашка с подставкой тоже вибрировали. Оказалось, что звук, передаваемый чашкой и подставкой, подавляет ответ этих генов, особенно Ptgs2. Согласно интерпретации авторов, косвенно переданный звук оказывал противоположный эффект по сравнению с непосредственно генерируемым звуком на эти гены.

Прямое звуковое воздействие на клетки C2C12, экспрессирующие флуоресцентный белок, влияло на форму клеток — уже через час площадь крепления к субстрату увеличивалась на 15–20%. Аннотация генов подтвердила воздействие звука на цитоскелет. Звук повышал уровень фосфорилирования Y397 гена FAK, что способствует расширению ведущего края клеток. В присутствии Y15 — специфического ингибитора фосфорилирования FAK Y397 — звук больше не действовал на ведущий край, как и на уровни экспрессии генов Ptgs2 и Ctgf. Ptgs2 регулирует биогенез простагландина E2 (PGE2), его экспрессия усиливается под действием звука, так что PGE2 сильнее воздействует на рецептор EP4, активируя целый ряд генов. Анализ разных типов клеток показал, что выявленные закономерности проявляются еще сильнее в преадипоцитах 3T3-L1.

Воздействие PGE2 на рецептор EP4 влияет на дифференцировку адипоцитов. Экспрессия Ptgs2 подавляется в развитой белой жировой ткани. Так что авторы поставили опыты на клетках 3T3-L1. Когда плотность клеток достигла ~70%, среду заменили на среду для индукции и усиления дифференциации. На клетки воздействовали звуком 440 Гц с давлением 100 Па в трехдневный период с различной периодичностью. Оценивали экспрессию генов-маркеров дифференцировки (Cebpa и Pparg). Длительное воздействие подавляло экспрессию обоих генов. Причем уровень PGE2 возрастал недостаточно, чтобы объяснить наблюдаемый фенотип, так что должен быть еще какой-то механизм. Авторы заключают, что воздействие звука на организм не всегда опосредовано мозгом, звук может влиять на клетки напрямую.

Ушные мышцы напрягаются, когда человек прислушивается