Skaber bølger:Forskere kaster lys over, hvordan cilia fungerer

Menneskekroppe har nogle indbyggede systemer til at passe sig selv. Cellerne, der beklæder vores lunger, næse, hjerne og reproduktionssystem har cilia, som er små, hårlignende strukturer designet til at feje væsker ud, celler og mikrober for at forblive sunde. Men mekanismerne bag deres bevægelse er ikke godt forstået.

Et team af forskere fra McKelvey School of Engineering og School of Medicine ved Washington University i St. Louis ønskede at bestemme, hvordan længden påvirkede den mekaniske effektivitet af at slå cilia. De fandt ud af, at de fleste mekaniske målinger, herunder magt, drejningsmoment og effekt, øget i forhold til længden af ​​cilia, men der var et "sweet spot" med hensyn til effektivitet. Resultaterne giver indsigt i cilia hos mennesker og hvordan fejl fører til sygdom, såsom primær ciliary dyskinesi, som er forbundet med kroniske luftvejsinfektioner, ændringer i højre-venstre akse og hjertefejl. Resultaterne vil blive offentliggjort i 9. april -udgaven af Biofysisk tidsskrift .

Undersøgelsen blev ledet af Mathieu Bottier, en postdoktor i laboratoriet hos Philip Bayly, Lilyan &E. Lisle Hughes professor i maskinteknik og formand for Institut for Maskinteknik og Materialevidenskab; og laboratoriet af Susan K. Dutcher, professor i genetik og i cellebiologi og fysiologi på School of Medicine. Forskerne brugte højhastighedsvideomikroskopi til at analysere en model for cilia til at bestemme deres mekaniske metrics. Efter at have analyseret næsten 400 videoer, holdet fandt ud af, at den mest effektive slag af cilia var ved dens naturlige længde på 10-12 mikron, eller omkring en femtedel af bredden af ​​et menneskehår.

"Noget, vi ikke forventede, er, at de korte cilia ikke ville være periodiske, " sagde Bottier. "Fimrehårene bevæger sig alle sammen, men vi finder ikke noget egentligt slagmønster - intet var synkroniseret - og det var vores første opdagelse."

Holdet brugte Chlamydomonas reinhardtii, en enkeltcellet grønalge, der normalt svømmer med to fremdriftshaler og ofte bruges som model for cilia hos pattedyr. Bottier og Kyle Thomas, en senior bachelorstuderende med speciale i biomedicinsk teknik, brugte en mutant med kun et cilium, der drejer på plads, muliggør længere videooptagelse. De fjernede cilium, derefter optog genvæksten ved video. Cilium tog omkring 90 minutter at vende tilbage til sin normale længde, og mens dens bølgeform varierede lidt fra standard cilia, dens vigtigste egenskaber var ens.

"Vi ville se cilium slå, hvilket vi gjorde med videoen, " sagde Bottier. "Så spurgte vi, hvordan vi kunne beskrive det, og den bedste måde var at se på gennemsnittet. Vi registrerede fem eller seks slagcykler, der gentages med jævne mellemrum, og fra disse fem eller seks, vi kan rekonstruere et gennemsnit, som vil fjerne de eventuelle afvigelser."

Ciliumens slag finder sted via en række bøjninger, der begynder ved bunden og strækker sig til spidsen. Holdet fandt ud af, at periodisk tæsk begynder, når cilia bliver længere end to til fire mikrometer, hvilket betyder, at en kritisk længde er nødvendig for at cilia skal slå. I tidligere undersøgelser, forskere havde ikke undersøgt cilia kortere end fem eller seks mikron, Sagde Bottier. En anden ny observation er, at slagfrekvensen i periodisk slående cilia er ret konsistent over det normale område af ciliumlængde, selvom den falder lidt, når længden stiger fra fire mikron til 12 mikron, sagde Bayly.

Dette arbejde kan hjælpe med at forstå menneskelige mutationer, der gør cilia korte, og hvor korte cilia vil påvirke patientens resultat, Sagde Dutcher.

Thomas sagde, at forskningen giver en bedre forståelse af, hvordan cilia fungerer, og hvad der forårsager svingningerne.

"Der er en masse forskellige modeller præsenteret for, hvad der driver dette bøjningsmønster, så denne undersøgelse hjalp med at lære, hvilke modeller der er mere nøjagtige, og hvilke der kan have unøjagtigheder, så vi kan forstå, når der er en cilia dysfunktion, hvad der forårsager det, fordi det kan udløse nogle samtaler om, hvordan vi behandler det, "Sagde Thomas.