Zespół kierowany przez Delarama Shakibę, doktoranta z NSF Science and Technology Center for Engineering Mechanobiology (CEMB) w McKelvey School of Engineering, odkrył sposób, w jaki fibroblasty lub zwykłe komórki w tkance łącznej oddziałują z macierzą zewnątrzkomórkową, która zapewnia wsparcie strukturalne oraz wskazówki biochemiczne i biomechaniczne dla komórek. Zespół odkrył rekurencyjny proces, który zachodzi między komórkami a ich otoczeniem, a także strukturami w komórkach, które były wcześniej nieznane.
Wyniki badań zostały opublikowane w ACS Nano. Starsi autorzy artykułu to Guy Genin, Harold i Kathleen Faught profesor inżynierii mechanicznej w McKelvey School of Engineering oraz Elliot Elson, emerytowany profesor biochemii i biofizyki molekularnej na School of Medicine.
Czytaj też:
5 niepokojących sygnałów, że jesz za dużo tłuszczu
Nowe odkrycia
– Kliniczne wysiłki mające na celu zapobieganie postępowi chorób fibrokontraktycznych, takich jak blizny i zwłóknienia, były w dużej mierze nieskuteczne, po części dlatego, że mechanizmy, których komórki używają do interakcji z otaczającymi je włóknami białkowymi, są niejasne – powiedział Shakiba. – Odkryliśmy, że fibroblasty używają zupełnie innych mechanizmów we wczesnych, i myślę, że najbardziej uleczalnych etapach tych interakcji i że ich reakcje na leki mogą być zatem przeciwieństwem tego, czym byłyby na późniejszych etapach.
Genin, który jest współdyrektorem CEMB, powiedział, że proces ten od pewnego czasu „hamuje” badaczy mechanobiologii.
– Naukowcy zajmujący się mechanobiologią sądzili, że komórki wyciągają kolagen z macierzy zewnątrzkomórkowej, sięgając długimi wypustkami, chwytając i odciągając – powiedział Genin. – Odkryliśmy, że tak nie jest. Komórka musi najpierw wydostać się na zewnątrz przez kolagen, a następnie zamiast się chwycić, zasadniczo wystrzeliwuje małe „włoski” lub filopodia z boków ramion, wciągając kolagen.
Teraz, kiedy rozumieją ten proces, mogą kontrolować kształt, jaki przyjmuje komórka.
– Wraz z naszymi kolegami z CEMB na Uniwersytecie Pensylwanii byliśmy w stanie zweryfikować niektóre modele matematyczne, aby przejść przez proces inżynieryjny i znamy teraz podstawowe zasady, którymi kierują się komórki – powiedział. – Możemy teraz zacząć projektować określone bodźce, aby nakierować komórkę tak, aby zachowywała się w określony sposób w budowaniu struktury inżynierii tkankowej.
Czytaj też:
MZ: Tętniak aorty brzusznej – przebadaj się bezpłatnie
Dwa sposoby kontroli kształtu komórek
Naukowcy dowiedzieli się, że mogą kontrolować kształt komórki na dwa sposoby: po pierwsze, kontrolując granice wokół niej, a po drugie, hamując lub zwiększając regulację poszczególnych białek biorących udział w przebudowie kolagenu.
Fibroblasty ściągają razem brzegi rany, powodując jej kurczenie się lub zamykanie. Kolagen w komórkach następnie przebudowuje macierz zewnątrzkomórkową, aby całkowicie zamknąć ranę. Tutaj do gry wkracza mechanobiologia.
– Istnieje równowaga między napięciem a kompresją wewnątrz komórki, która jest świeżo wystawiona na działanie białek włóknistych – powiedział Genin. – W filamentach aktynowych jest napięcie i modulując tę równowagą, możemy sprawić, że urosną do niezwykle długich rozmiarów. Możemy powstrzymać przebudowę lub ją zintensyfikować.
Zespół wykorzystał technikę mapowania 3D – po raz pierwszy w przypadku kolagenu – wraz z modelem obliczeniowym do obliczenia odkształcenia 3D i pól naprężeń wytwarzanych przez wypukłości komórek. Wraz z akumulacją kolagenu w komórkach, przebudowa i wyrównanie włókien kolagenowych wywołane napięciem doprowadziły do powstania szlaków kolagenowych. Wymaga to interakcji między komórkami, dzięki którym komórki mogą oddziaływać mechanicznie.
– Nowe metody mikroskopii, inżynierii tkankowej i modelowania biomechanicznego znacznie poszerzają naszą wiedzę na temat mechanizmów, za pomocą których komórki modyfikują i naprawiają tkankę, w której się znajdują – powiedział Elson. – Włókniste struktury komórkowe generują i kierują siłami, które obkurczają i zmieniają orientację ich zewnątrzkomórkowego środowiska włóknistego. Rodzi to nowe pytania dotyczące mechanizmów molekularnych tych funkcji oraz sposobu, w jaki komórki regulują wywierane przez nie siły i jak zarządzają zakresem deformacji macierzy.
– Gojenie się ran jest doskonałym przykładem tego, jak te procesy są ważne z fizjologicznego punktu widzenia – powiedział Genin. – Będziemy w stanie uzyskać wgląd w to, jak wyszkolić komórki, aby nie zagęszczały nadmiernie kolagenu wokół nich.