Несмотря на огромную сумму научных исследований, много выдающихся тайн все еще окружают путь, которым клетки в живой ткани отвечают на и возмещают физические убытки.Одна видная тайна точно, как исцеление раны вызвано: лучшее понимание этого процесса важно для развития новых и улучшенных методов для лечения ран всех типов.Используя сверхбыстрый, ультраточный ультрафиолетовый лазер, команда физиков и биологов в Университете Вандербилт сделала важный шаг к пониманию природы этих более аккуратных сигналов.
Их новое понимание описано в газете, названной «Многократная динамика сигнала кальция двигателя механизмов вокруг вызванных эпителиальных ран лазера», изданных 3 октября Биофизическим Журналом.Предыдущее исследование решило, что ионы кальция играют ключевую роль в ответе раны.
Это не удивительно, потому что передача сигналов кальция оказывает влияние на почти каждый аспект клеточной жизни. Так, исследователи – возглавляемый профессором Физики и Биологических наук Шэйн Хутсон и Адъюнкт-профессор Клетки и Биологии Развития, Андреа Пэйдж-Мккав – был нацелен на клетки в конце куколок дрозофилы, которые выразили белок, который флюоресцирует в присутствии ионов кальция.
Это позволило им отслеживать изменения в концентрациях иона кальция в клетках вокруг ран на живой ткани (в противоположность клеточным культурам, используемым во многих предыдущих исследованиях ответа раны) и делать так с беспрецедентной, точностью миллисекунды.Команда создала микроскопические раны в эпителиальном слое куколок, используя лазер, который может быть сосредоточен вниз к пункту, достаточно маленькому, чтобы ударить микроскопические отверстия кулаком в отдельные клетки (меньше чем одна миллионная метра).
Точность лазера позволила им создавать повторяемые и управляемые раны. Они нашли, что даже самый краткий из импульсов в наносекунду к диапазону фемтосекунды произвел микроскопический взрыв, названный кавитационным пузырем, достаточно сильным, чтобы повредить соседние клетки.
«В результате повреждение, лазерная продукция импульсов весьма схожа с колотой раной, окруженной раной давки – тупой травмой в судебных терминах – так наши наблюдения, должно относиться к наиболее распространенным ранам», сказала первый автор Эрика Шеннон, докторант в биологии развития.Исследователи проверяли две преобладающих гипотезы на спусковой механизм ответа раны. Каждый тот, поврежденные и умирающие клетки выпускают белки во внеклеточную жидкость который окружающий смысл клеток, заставляя их повысить их внутренние уровни кальция. Эта увеличенная концентрация кальция, в свою очередь, вызывает их преобразование от статического до мобильной формы, позволяя им начать окружать рану.
Вторая гипотеза предполагает, что более аккуратные распространения сигнала от клетки до клетки посредством соединений промежутка, специализированных межклеточных связей, которые непосредственно связывают две клетки в пунктах, где они затрагивают. Это микроскопические ворота, которые позволяют граничить с клетками, чтобы обменять ионы, молекулы и электрические импульсы быстро и непосредственно.«Что является чрезвычайно захватывающим, то, что мы нашли доказательства, что клетки используют оба механизма», сказал Шеннон. «Оказывается, что у клеток есть много различных способов сигнализировать о травме. Это может позволить им дифференцироваться между различными видами ран».
Эксперименты показали, что создание раны производит сложную серию сигналов кальция в окружающей ткани:Сначала прибывает быстрый приток кальция в клетки немедленно вокруг раны.
Это соответствует следу кавитационного пузыря. Уровни кальция во внеклеточной жидкости намного выше, чем они в клетках.
Из-за скорости, с которой это происходит (меньше чем одна десятая секунды) исследователи утверждают, что этот приток вызван микрослезами в клеточных мембранах, разорванных открытый силой микровзрыва;Затем, недолгая, кратковременная волна распространяется через здоровые соседние клетки. Чем больше рана, тем быстрее распространения волны.
Скорость, с которой шаги волны предполагает, что она едет посредством соединений промежутка и составлена или из ионов кальция или из некоторой другой маленькой сигнальной молекулы.Спустя приблизительно 45 секунд после поражения второй волны появляется. Эта волна перемещается намного более медленно, чем первая волна, но распространяется значительно дальше.
Исследователи интерпретируют это, чтобы означать, что это распространяется большими молекулами, скорее всего специальные сигнальные белки, что разбросанный более медленно, чем ионы. Однако они предостерегают, что дальнейшие эксперименты требуются, чтобы подтверждать эту гипотезу.
Вторая волна только происходит, когда клетки убиты, не, когда они просто повреждены, предполагая, что это зависит от степени повреждения.Первые два распространения волн относительно симметрично через ткань. После второй волны, однако, область высокой концентрации кальция начинает отсылать «вспышки» – направленные потоки поглощения кальция, которые распространяются дальше в окружающую ткань. Каждая вспышка длится в течение десятков секунд, и новые вспышки продолжают начинаться больше 30 минут после травмы.
«Как только мы понимаем эти более аккуратные механизмы, должно быть возможно найти способы стимулировать целебный процесс раны у людей с условиями, как диабет, которые замедляют процесс или даже ускорять нормальное исцеление раны», сказал Хутсон.Аспирант Аарон Стивенс, научный сотрудник Уэс Эдрингтон, студенческий исследователь Юньхуа Чжао и аспирант Арошен Джаянсиндж также способствовали исследованию, которое финансировалось R21AR068933 грантов Национального Института Здоровья и 5T32CA119925 и REU 1560035 гранта Национального научного фонда.