Naukowcy z University of Toronto, Johns Hopkins University i Vanderbilt University odkryli, że niektóre komórki poruszają się zaskakująco szybciej w gęstszym płynie – pomyśl o miodzie zamiast o wodzie lub śluzie w przeciwieństwie do krwi – ponieważ ich pomarszczone krawędzie wyczuwają lepkość ich środowisko i dostosuj się, aby zwiększyć ich prędkość.
Ich połączone wyniki w komórkach nowotworowych i fibroblastach – typie, który często tworzy blizny w tkankach – sugerują, że lepkość otaczającego środowiska komórki jest ważnym czynnikiem przyczyniającym się do choroby i może pomóc wyjaśnić progresję guza, blizny w dotkniętych śluzem płucach przez mukowiscydozę i proces gojenia się ran.
Opublikowane dziś w Nature Physics badanie „Marszczenie błony jest mechanoczujnikiem lepkości płynu pozakomórkowego” rzuca nowe światło na środowiska komórkowe, które są niedostatecznie zbadanym obszarem badań.
„Tego powiązania między lepkością komórek a przyczepianiem nigdy wcześniej nie wykazano” – mówi Sergey Plotnikov, adiunkt na Wydziale Biologii Komórki i Systemów na Wydziale Sztuki i Nauki Uniwersytetu w Toronto i współautor badania. . „Odkryliśmy, że im gęstsze otoczenie, tym silniej komórki przylegają do podłoża i tym szybciej się poruszają – podobnie jak chodzenie po oblodzonej powierzchni w butach z kolcami, w porównaniu z butami bez przyczepności”.
Zrozumienie, dlaczego komórki zachowują się w ten zaskakujący sposób, jest ważne, ponieważ nowotwory nowotworowe tworzą lepkie środowisko, co oznacza, że komórki rozprzestrzeniające się mogą przemieszczać się do guzów szybciej niż tkanki nienowotworowe. Ponieważ naukowcy zaobserwowali, że komórki rakowe przyspieszają w zagęszczonym środowisku, doszli do wniosku, że rozwój pofałdowanych krawędzi w komórkach rakowych może przyczyniać się do rozprzestrzeniania się raka na inne obszary ciała.
Z drugiej strony, celowanie w odpowiedź rozprzestrzeniania się w fibroblastach może zmniejszyć uszkodzenie tkanki w wypełnionych śluzem płucach dotkniętych mukowiscydozą. Ponieważ potargane fibroblasty poruszają się szybko, są pierwszym rodzajem komórek, które przemieszczają się przez śluz do rany, przyczyniając się raczej do powstawania blizn niż do gojenia. Wyniki te mogą również sugerować, że poprzez zmianę lepkości śluzu płucnego można kontrolować ruch komórek.
„Pokazując, jak komórki reagują na otoczenie i opisując fizyczne właściwości tego obszaru, możemy dowiedzieć się, co wpływa na ich zachowanie i ostatecznie jak na nie wpływać” – mówi Ernest Iu, doktorant z Wydziału Biologii Komórki i Systemów. na Wydziale Sztuki i Nauki Uniwersytetu w Toronto oraz współautor badania.
Płotnikow dodaje: „Na przykład, być może, jeśli wlejesz do rany płyn gęsty jak miód, komórki wejdą w nią głębiej i szybciej, tym samym gojąc ją skuteczniej”.
Plotnikov i Iu wykorzystali zaawansowane techniki mikroskopowe do pomiaru siły pociągowej, jaką komórki wywierają na ruch oraz zmian w molekułach strukturalnych wewnątrz komórek. Porównali komórki rakowe i fibroblasty, które mają pofałdowane krawędzie, z komórkami o gładkich krawędziach. Ustalili, że pofałdowane krawędzie komórek wyczuwają zagęszczone środowisko, wywołując reakcję, która pozwala komórce przebić się przez opór – pofałdowania spłaszczają się, rozszerzają i przyczepiają do otaczającej powierzchni.
Eksperyment powstał w Johns Hopkins, gdzie Yun Chen, adiunkt na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i główny autor badania, oraz Matthew Pittman, doktorant i pierwszy autor, najpierw badali ruch komórek rakowych. Pittman stworzył lepki, podobny do śluzu roztwór polimeru, osadził go na różnych typach komórek i zobaczył, że komórki rakowe poruszają się szybciej niż komórki nienowotworowe podczas migracji przez gęstą ciecz. Aby dokładniej zbadać to zachowanie, Chen współpracował z Plotnikowem z U z T, który specjalizuje się w wypychaniu i przyciąganiu ruchu komórek.
Płotnikow był zdumiony zmianą prędkości przechodzącą w gęstą, podobną do śluzu ciecz. „Normalnie patrzymy na powolne, subtelne zmiany pod mikroskopem, ale mogliśmy zaobserwować, jak komórki poruszają się dwa razy szybciej w czasie rzeczywistym i rozprzestrzeniają się, podwajając swój pierwotny rozmiar” – mówi.
Zazwyczaj ruch komórek zależy od białek miozyny, które pomagają w skurczach mięśni. Plotnikov i Iu rozumowali, że zatrzymanie miozyny zapobiegnie rozprzestrzenianiu się komórek, byli jednak zaskoczeni, gdy dowody wykazały, że komórki nadal przyspieszyły pomimo tego działania. Zamiast tego odkryli, że kolumny białka aktyny wewnątrz komórki, które przyczynia się do skurczu mięśni, stały się bardziej stabilne w odpowiedzi na gęsty płyn, dodatkowo wypychając krawędź komórki.
Zespoły badają teraz, jak spowolnić ruch pomarszczonych komórek w zagęszczonym środowisku, co może otworzyć drzwi do nowych metod leczenia osób dotkniętych rakiem i mukowiscydozą.
Finansowanie badań zostało zapewnione przez Kanadyjską Radę Nauk Przyrodniczych i Inżynieryjnych, Kanadyjskie Instytuty Badań Zdrowotnych, Kanadyjską Sieć Badań i Innowacji w Technologii Obróbki, Ontario Graduate Scholarship, Departament Zdrowia i Opieki Społecznej Stanów Zjednoczonych oraz Departament Obrony Stanów Zjednoczonych .