Forskning afslører, hvordan sår heler i bølger

Mange celler i vores kroppe er i bevægelse og på en eller anden måde 'ved', hvor de skal hen. Men hvordan lærer de placeringen af ​​deres destination? Dette spørgsmål er nøglen til at forstå fænomener som fornyelse af celler i vores krop, migration af kræftceller, og især hvordan sår heler. Edouard Hannezo og hans gruppe ved Institut for Videnskab og Teknologi Østrig (IST Østrig) i samarbejde med Tsuyoshi Hirashima og hans studerende ved Kyoto Universitet foreslår en ny model for informationsoverførsel, hvor celler udnytter langdistancerejsebølger på en selvorganiseret måde at lukke et sår. Denne undersøgelse blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Naturfysik .

Forskerne byggede en matematisk model til at beskrive interaktionerne i et lag af celler på et substrat, ligner et hudlag. Disse celler indeholder kemiske signalstoffer - proteiner - der giver dem mulighed for at fornemme andre celler omkring dem, så uanset om de bliver skubbet eller trukket, og at kontrollere deres egen bevægelse. Hvad forskerne fandt er, at det indviklede samspil mellem cellebevægelser, sansning af miljøet, og tilstande af proteinaktivering i cellerne kombineres for at skabe koblede mekaniske og kemiske rejsebølger, hvor retningsbestemt information er kodet.

Feedback loops

Den mekaniske bølge fremstår som tættere og tyndere områder af celler, der veksler i rum og tid. Den kemiske bølge fremstår som proteinaktivitet og udløses af cellebevægelse og mekanisk feedback. Cellernes kemi driver igen celleformændringer og bevægelse, hvilket lukker en feedback-loop med cellemekanik. I dette koblede system opstår disse mekaniske og kemiske bølger spontant på grund af feedback og forstærkning.

I et normalt uskadet lag af celler, disse bølger forplanter sig uden en foretrukken retning, men når et kunstigt sår indføres på den ene side, bølger omorienterer sig for udelukkende at forplante sig væk fra såret. Forskerne antog således, at bølgerne kunne være et kommunikationsværktøj, lader celler meget langt fra såret - og dermed ikke direkte "se" det - fornemme, hvilken vej de skal gå.

Læsning af bølgerne

En tæthedsbølge får naboerne til en celle til at skubbe og trække i den langs den retning, bølgen bevæger sig i. Da de kræfter, der udøves på cellen, er lige store og modsatte mellem toppene og dalene af hver bølge, resultatet er, at cellen blot bevæger sig små afstande frem og tilbage uden nogen nettobevægelse. Træde i kræft, cellen har ingen mulighed for at kende retningen bølgen kom fra og har således ingen information om sårets placering.

Det er her, den anden bølge af proteinaktivitet kommer ind. Den rammer cellen lidt efter tæthedsbølgen på grund af den forsinkelse, det tager for proteiner at aktivere. Og fordi proteinaktivitet styrer hastigheden, hvormed cellerne bevæger sig, en forsinkelse mellem de to bølger gør det muligt for celler at bevæge sig hurtigt, når de trækkes i retning af såret, og langsomt, når de bliver skubbet væk. På denne måde celler kan bryde symmetrien og begynde at bevæge sig i den foretrukne retning mod såret.

Eksperimenter uden for ligevægt

Forskerne ved Kyoto Universitet observerede denne ude af ligevægt adfærd af sårheling under in vitro eksperimenter med rigtige celler på et substrat. De brugte en ny mikroskopiteknik for at give dem mulighed for at måle proteinaktivitet i hver celle:Proteinet blev modificeret, så det lyste op, når det blev aktiveret, og afslørede bølger af proteinaktivering, der forplantede sig gennem hele cellelaget. Forskerne var i stand til kvantitativt at forudsige bølgemønstrene, som de så også observerede eksperimentelt. Mere slående, de fandt også, at forsinkelsen mellem de to bølger var tæt på det teoretisk forudsagte optimum for at tillade celler at udtrække maksimal information fra bølgerne.

Denne mekanisme for selvorganisering er bemærkelsesværdig for at tillade robust og spontan kommunikation af retning over store afstande inden for cellelag. Det demonstrerer en måde, hvorpå koordineret adfærd kan opstå i vores kroppe og hjælpe dem med at hele og vokse.