Studie odhaluje mezibuněčný tok jako klíčový faktor v tkáňové mechanice

Voda tvoří kolem 60 procent lidského těla. Více než polovina této vody se vrhá uvnitř buněk, které tvoří orgány a tkáně. Většina zbývajících voda teče v zákoutí a lebky mezi buňkami, podobně jako mořská voda mezi zrny písku.

Nyní inženýři MIT zjistili, že tato „mezibuněčná“ tekutina hraje hlavní roli v tom, jak tkáně reagují, když jsou stlačeny, lisovány nebo fyzicky deformovány. Jejich nálezy by mohly vědcům pomoci pochopit, jak se buňky, tkáně a orgánů fyzicky přizpůsobují podmínkám, jako je stárnutí, rakovina, cukrovka a určitá neuromuskulární onemocnění.

V papíru, který se objevuje v Fyzika přírodyVědci ukazují, že když je tkáň stisknuta nebo stisknuta, je více kompatibilní a uvolňuje se rychleji, když tekutina mezi jeho buňkami snadno protéká. Když jsou buňky zabaleny dohromady a je zde méně prostoru pro mezibuněčný tok, tkáň jako celek je tužší a odolává se lisování nebo stisknutí.

Zjištění zpochybňují konvenční moudrost, která předpokládala, že dodržování tkáně závisí hlavně na tom, co je uvnitř, spíše než kolem, na buňce. Nyní, když vědci ukázali, že mezibuněčný tok určuje, jak se tkáně přizpůsobí fyzickým silám, lze výsledky použít k pochopení širokého rozsahu fyziologických stavů, včetně toho, jak svaly vydrží cvičení a zotavení z zranění a jak může fyzická přizpůsobivost tkáně ovlivnit progresi stárnutí, rakoviny a dalších zdravotních stavů.

Tým předpokládá, že výsledky by také mohly informovat o designu umělých tkání a orgánů. Například v inženýrské umělé tkáni mohou vědci optimalizovat mezibuněčný tok v tkáni, aby se zlepšila její funkce nebo odolnost. Vědci mají podezření, že mezibuněčný tok může být také cestou pro dodávání živin nebo terapií, a to buď k uzdravení tkáně, nebo eradikovat nádor.

Lidé vědí, že mezi buňkami v tkáních je hodně tekutiny, ale jak důležité je, zejména v deformaci tkání, je zcela ignorována. Nyní opravdu ukazujeme, že můžeme tento tok pozorovat. A jak se tkáň deformuje, v chování dominuje tok mezi buňkami. Pojďme tedy věnovat pozornost tomu, když studujeme onemocnění a tkáně inženýrů. “

Ming Guo, docent mechanického inženýrství na MIT

Guo je spoluautorem nové studie, která zahrnuje hlavní autor a MIT postdoc fanoušek Liu Phd ’24, spolu s Bo Gao a Hui Li z Pekingu Normal University a Liran Lei a Shuainan Liu z Peking Union Medical College.

Stisknuté a stisknuté

Tkáně a orgány v našem těle jsou neustále podrobeny fyzickým deformacím, od velkého úseku a napětí svalů během pohybu až po malé a stabilní kontrakce srdce. V některých případech, jak snadno se tkáně přizpůsobí deformaci, se může vztahovat k tomu, jak rychle se člověk může zotavit, například alergickou reakci, sportovní zranění nebo mozkový mrtvici. Přesně to, co nastavuje reakci tkáně na deformaci, je však do značné míry neznámé.

Guo a jeho skupina na MIT se podívali na mechaniku deformace tkáně a zejména na roli mezibuněčného toku, po studii, kterou zveřejnili v roce 2020. V této studii se zaměřili na nádory a pozorovali způsob, jakým může tekutina proudit ze středu nádoru ven do okrajů, skrz trhliny a štěrbiny mezi jednotlivými tumorovými buňkami. Zjistili, že když byl nádor stlačen nebo lisován, mezibuněčný tok se zvýšil a působil jako dopravní pás pro přepravu tekutiny z středu do okrajů. Zjistili, že mezibuněčný tok by mohl podpořit invazi nádoru do okolních oblastí.

Ve své nové studii se tým snažil vidět, jakou roli by tento mezibuněčný tok mohl hrát v jiných nekancerózních tkáních.

„Zdá se, že to, zda dovolíte proudění tekutiny mezi buňkami nebo ne, má velký dopad, „říká Guo.

Tekutá palačinka

Guo, Liu a jejich kolegové studovali mezibuněčný tok v různých biologických tkáních, včetně buněk odvozených z tkáně pankreatu. Provedli experimenty, ve kterých nejprve kultivovali malé shluky tkáně, z nichž každá měřila méně než čtvrtinu milimetru široké a číslování desítek tisíc jednotlivých buněk. Umístili každý tkáňový klastr do testované platformy navržené na míru, kterou tým vytvořil speciálně pro studii.

„Tyto vzorky mikrotissu jsou v této sladké zóně, kde jsou příliš velké na to, aby se viděly s technikami mikroskopie atomové síly a příliš malé na objemnější zařízení,“ říká Guo. „Takže jsme se rozhodli postavit zařízení.“

Vědci přizpůsobili vysoce přesnou mikrobalanci, která měří nepatrné změny hmotnosti. Kombinovali to s krokovým motorem, který je navržen tak, aby tlačil na vzorek s přesností nanometru. Tým umístil tkáňové shluky jeden po druhém na rovnováze a zaznamenal měnící se hmotnost každého klastru, když se uvolnil z koule do tvaru palačinky v reakci na kompresi. Tým také vzal videa shluků, když byly stisknuty.

Pro každý typ tkáně vytvořil tým shluky různých velikostí. Zdůvodnili, že pokud je reakce tkáně ovládána tokem mezi buňkami, pak čím větší tkáň A, tím déle by měla trvat, než prosakuje voda, a proto by to mělo trvat tkáň, aby se uvolnila. Mělo by to trvat stejné množství času, bez ohledu na velikost, pokud je reakce tkáně určena spíše strukturou tkáně než tekutinou.

Během několika experimentů s různými typy tkání a velikosti tým pozoroval podobný trend: čím větší je klastr, tím déle trvalo relaxaci, což naznačuje, že mezibuněčný tok dominuje reakci tkáně na deformaci.

„Ukazujeme, že tento mezibuněčný tok je klíčovou součástí, kterou je třeba zvážit v základním chápání tkáňové mechaniky a také aplikací v inženýrských životních systémech,“ říká Liu.

Do budoucna tým plánuje prozkoumat, jak mezibuněčný tok ovlivňuje funkci mozku, zejména u poruch, jako je Alzheimerova choroba.

„Mezibuněčný nebo intersticiální tok vám může pomoci odstranit odpad a dodávat živiny do mozku,“ dodává Liu. „Zvýšení tohoto toku v některých případech může být dobrá věc.“

„Jak ukazuje tato práce, jak vyvíjíme tlak na tkáň, tekutina bude tekna,“ říká Guo. „V budoucnu můžeme myslet na navrhování způsobů masáže tkáně, aby se tekutina umožnila transportovat živiny mezi buňkami.“

Tato práce byla částečně podporována Katedrem strojního inženýrství na MIT.