Badanie mechanicznych oddziaływań między komórką a jej otoczeniem
W skomplikowanym świecie biologii podstawowym mechanizmem regulującym zachowanie komórek jest ich zdolność do wykrywania sygnałów docierających z otoczenia i reagowania na nie. Sygnały te regulują najbardziej niezbędne funkcje komórek, w tym różnicowanie, proliferację i ruch. Intrygujący jest fakt, że pod wpływem zmiany właściwości mechanicznych otaczającego je podłoża, na przykład jego sztywności, komórki dostosowują także swoje zachowanie. Są w stanie przekształcić te siły mechaniczne w sygnały wewnątrzkomórkowe – jest to proces znany jako odbieranie bodźców mechanicznych(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (ang. mechanosensation). Komórki otoczone są substancją nazywaną macierzą zewnątrzkomórkową(odnośnik otworzy się w nowym oknie), która stanowi skomplikowaną trójwymiarową sieć pełniącą rolę rusztowania dla komórek. Poprzez odkształcenia komórki macierzy zewnątrzkomórkowej wykrywają jej właściwości mechaniczne. Proces ten nie tylko pomaga im dostosować swoje zachowanie, ale może również wpływać na sąsiednie komórki, które też wykrywają odkształcenia.
Zrozumieć oddziaływania między komórkami a macierzą zewnątrzkomórkową
Projekt CellMechSensE, realizowany przy wsparciu działań „Maria Skłodowska-Curie”(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (MSCA), miał na celu odkrycie podstawowych mechanizmów związanych z oddziaływaniami mechanicznymi między komórkami a otaczającą je macierzą zewnątrzkomórkową. Projekt powstał we współpracy z Pierrem Roncerayem z Uniwersytetu w Marsylii oraz grupą eksperymentalną kierowaną przez Minga Guo z MIT. Prace koncentrowały się na dużych siłach, jakie komórki mogą wywierać na macierz zewnątrzkomórkową, oraz ich wpływie na funkcjonowanie otaczającej sieci. „Eksperymentalne badanie mechanicznych oddziaływań między komórkami a macierzą stanowiło wyzwanie ze względu na ograniczenia w stosowaniu dużych sił w skali lokalnej”, wyjaśnia Estelle Berthier, stypendystka MSCA. Naukowcy odkryli, że gdy macierz zewnątrzkomórkowa była poddawana działaniu większych sił, jej reakcja była zaskakująca – jej sztywność wzrastała nawet stukrotnie. Zjawisko to, znane jako nieliniowość sprężysta, wywołało złożoną reakcję mechaniczną, która jak dotąd nie została naukowo wyjaśniona. „W ramach projektu opracowane zostały kompleksowe ramy teoretyczne i obliczeniowe na potrzeby scharakteryzowania procesu odbierania bodźców mechanicznych zachodzącego w obrębie macierzy zewnątrzkomórkowej”, dodaje Berthier. Dzięki nowym ramom teoretycznym możliwe było scharakteryzowanie reakcji mechanicznej, odkształceń macierzy i zmian jej sztywności w wyniku próbkowania komórek.
Nowy model odbierania bodźców mechanicznych
Jednym z najbardziej zaskakujących odkryć było zaobserwowanie różnic między lokalną reakcją nieliniową a reakcją makroskopową, które wskazują na zaangażowanie zasadniczo innych mechanizmów. Obecność tych różnic pozwala na podważenie istniejących hipotez i jednocześnie podkreśla złożony charakter próbkowania komórkowego. Zespół projektu ustalił(odnośnik otworzy się w nowym oknie) również, że w przypadku występowania nieliniowości reakcja mechaniczna lokalnej sondy staje się znacznie bardziej stabilna i mniej wrażliwa na zaburzenia sieci w wyniku działania dużych sił. Było to nieoczekiwane odkrycie, ponieważ uczeni założyli, że nieliniowość może potencjalnie wzmacniać skutki tych zaburzeń. Aby zrozumieć te nowo zaobserwowane mechanizmy i wyjaśnić, w jaki sposób macierz zewnątrzkomórkowa reaguje na różne rodzaje i natężenia sił, naukowcy opracowali przełomowy nieliniowy model odbierania bodźców mechanicznych. Użycie większej siły umożliwia komórce wywoływanie nieliniowych odkształceń na większych obszarach, dzięki czemu sieć staje się dużo bardziej sztywna. W rezultacie komórka staje się urządzeniem pomiarowym o większych rozmiarach, więc jest w stanie analizować większy obszar sieci. Podobnie jak w przypadku zwiększania rozmiaru próby w badaniach, tak i w tym przypadku pomiar staje się bardziej reprezentatywny dla ogólnych właściwości macierzy. Jak twierdzi Berthier: „Połączenie elementów tej układanki w spójną całość oraz wyjaśnienie, w jaki sposób komórki próbkują i wykrywają właściwości swojego otoczenia, było najważniejszym osiągnięciem projektu”. Wybiegając w przyszłość, zespół projektu podkreśla, że badania te mogą rzucić nowe światło na sposób, w jaki komórki koordynują swoje zachowanie na duże odległości, a także na rolę lokalnych nieliniowości w procesach chorobowych, takich jak rozwój guza czy inwazja komórek nowotworowych.
Słowa kluczowe
CellMechSensE, siła mechaniczna, macierz zewnątrzkomórkowa, otaczająca sieć, odbieranie bodźców mechanicznych, sztywność, nieliniowość sprężysta, model nieliniowy
