Несмотря на огромное количество научных исследований, множество выдающихся загадок все еще связано с тем, как клетки живой ткани реагируют на физические повреждения и восстанавливают их.Одна из выдающихся загадок заключается в том, как именно происходит заживление ран: лучшее понимание этого процесса необходимо для разработки новых и улучшенных методов лечения всех типов ран.Используя сверхбыстрый и сверхточный ультрафиолетовый лазер, группа физиков и биологов из Университета Вандербильта сделала важный шаг к пониманию природы этих триггерных сигналов.
Их новые идеи описаны в статье под названием «Множественные механизмы управляют динамикой кальциевого сигнала вокруг эпителиальных ран, вызванных лазером», опубликованной 3 октября в Biophysical Journal.Предыдущие исследования показали, что ионы кальция играют ключевую роль в реакции ран.
Это неудивительно, потому что передача сигналов кальция оказывает влияние почти на все аспекты клеточной жизни. Итак, исследователи — во главе с профессором физики и биологических наук Шейном Хатсоном и доцентом кафедры клеточной биологии и биологии развития Андреа Пейдж-Маккоу — нацелены на клетки спины куколок плодовой мухи, которые экспрессируют белок, флуоресцирующий в присутствии кальция. ионы. Это позволило им отслеживать изменения концентрации ионов кальция в клетках вокруг ран в живой ткани (в отличие от культур клеток, используемых во многих предыдущих исследованиях реакции на раны), и делать это с беспрецедентной точностью до миллисекунды.Команда создала микроскопические раны в эпителиальном слое куколок с помощью лазера, который можно сфокусировать до точки, достаточно маленькой, чтобы пробить микроскопические отверстия в отдельных клетках (менее одной миллионной метра).
Точность лазера позволила им создавать повторяемые и контролируемые раны. Они обнаружили, что даже самые короткие импульсы в диапазоне от наносекунд до фемтосекунд вызывают микроскопический взрыв, называемый кавитационным пузырем, достаточно мощный, чтобы повредить близлежащие клетки.«В результате повреждения, производимые лазерными импульсами, очень похожи на колотую рану, окруженную раздавленной раной — травма от удара тупым предметом в судебной медицине — поэтому наши наблюдения должны применяться к наиболее распространенным ранам», — сказала первый автор Эрика Шеннон. докторант биологии развития.Исследователи проверяли две преобладающие гипотезы о триггере реакции на рану.
Во-первых, поврежденные и умирающие клетки выделяют белки во внеклеточную жидкость, которую чувствуют окружающие клетки, заставляя их повышать свой внутренний уровень кальция. Эта повышенная концентрация кальция, в свою очередь, запускает их преобразование из статической в ??подвижную форму, что позволяет им начать закрывать рану. Вторая гипотеза предполагает, что пусковой сигнал распространяется от клетки к клетке через щелевые соединения, специализированные межклеточные соединения, которые напрямую связывают две клетки в точках их соприкосновения. Это микроскопические ворота, которые позволяют соседним клеткам быстро и напрямую обмениваться ионами, молекулами и электрическими импульсами.
«Что очень интересно, так это то, что мы нашли доказательства того, что клетки используют оба механизма», — сказал Шеннон. «Оказывается, у клеток есть несколько разных способов сигнализировать о травме. Это может позволить им различать разные виды ран».Эксперименты показали, что образование раны генерирует сложную серию кальциевых сигналов в окружающей ткани:
Сначала происходит быстрое поступление кальция в клетки непосредственно вокруг раны. Это соответствует отпечатку кавитационного пузыря.
Уровни кальция во внеклеточной жидкости намного выше, чем в клетках. Из-за скорости, с которой это происходит (менее десятой доли секунды), исследователи утверждают, что этот приток вызван микротрещинами в клеточных мембранах, разорванных силой микровзрыва;
Затем короткоживущая короткодействующая волна распространяется по соседним здоровым клеткам. Чем больше рана, тем быстрее распространяется волна. Скорость, с которой движется волна, предполагает, что она проходит через щелевые контакты и состоит либо из ионов кальция, либо из какой-либо другой небольшой сигнальной молекулы.
Примерно через 45 секунд после ранения появляется вторая волна. Эта волна движется намного медленнее, чем первая волна, но распространяется значительно дальше. Исследователи интерпретируют это как то, что он распространяется более крупными молекулами, скорее всего, специальными сигнальными белками, которые диффундируют медленнее, чем ионы. Однако они предупреждают, что для подтверждения этого предположения необходимы дальнейшие эксперименты.
Вторая волна возникает только тогда, когда клетки погибают, а не когда они просто повреждаются, что позволяет предположить, что это зависит от степени повреждения.Первые две волны относительно симметрично распространяются по ткани. Однако после второй волны область с высокой концентрацией кальция начинает излучать «вспышки» — направленные потоки поглощения кальция, которые распространяются дальше в окружающие ткани.
Каждая вспышка длится десятки секунд, а новые вспышки продолжаются более 30 минут после травмы.«Как только мы поймем эти триггерные механизмы, появится возможность найти способы стимулировать процесс заживления ран у людей с такими заболеваниями, как диабет, которые замедляют процесс или даже ускоряют нормальное заживление ран», — сказал Хатсон.
Аспирант Аарон Стивенс, научный сотрудник Уэс Эдрингтон, студент-исследователь Юньхуа Чжао и аспирант Арошан Джаянсингэ также внесли свой вклад в исследование, которое финансировалось грантами Национального института здравоохранения R21AR068933 и 5T32CA119925 и грантом Национального научного фонда REU 1560035.