Siły stojące za obroną immunologiczną
Zdolność układu odpornościowego do wykrywania i reagowania na urazy lub infekcje zaczyna się od leukocytów, białych krwinek patrolujących ściany naczyń krwionośnych w poszukiwaniu stanu zapalnego. W tym procesie najpierw leukocyty zmniejszają prędkość podczas przepływu przez układ krwionośny. Następnie mogą ulec aktywacji, przylgnąć mocno do ściany naczyniowej i migrować do miejsc urazu lub zapalenia. Adhezja leukocytów do ściany naczyniowej obejmuje kilka etapów i wystawia komórki na działanie sił mechanicznych w czasie od mikrosekund do kilku minut. Zrozumienie sił związanych z kaskadą adhezji leukocytów ma kluczowe znaczenie dla rozszyfrowania fundamentalnej fizyki stojącej za mechanizmami odpowiedzi immunologicznej.
Połączone nanonarzędzia do pomiaru sił w leukocytach
Aby w pełni zrozumieć proces adhezji leukocytów, finansowany przez ERBN projekt MechaDynA postawił sobie za cel opracowanie kompleksowego podejścia łączącego te skale czasowe i rozdzielczości przestrzenne. Zespół badawczy dostosował dwa najnowocześniejsze nanonarzędzia, szybka spektroskopia sił (HS-FS) i spektroskopia sił akustycznych (AFS) do pomiaru, bezpośrednio na żywych komórkach, mechaniki wszystkich zaangażowanych składników komórkowych w najszerszym zakresie skal czasowych. Spektroskopia HS-FS, wywodząca się z mikroskopii sił atomowych, wykorzystuje ultra-małe dźwignie do pomiaru właściwości mechanicznych i siły wiązania poszczególnych cząsteczek, takich jak białka lub DNA, w niezwykle krótkich skalach czasowych do mikrosekund. Takie podejście umożliwiło naukowcom zbadanie szybko zachodzących zdarzeń o krytycznym znaczeniu dla adhezji leukocytów. Spektroskopia AFS uzupełnia skale czasowe, w których można używać HS-FS. Wykorzystuje fale akustyczne do unieruchomienia i przyłożenia sił do setek cząstek lub zawieszonych komórek równolegle, umożliwiając długotrwałe pomiary trwające wiele godzin.
Eksperymenty na żywych komórkach
Jednym ze znaczących osiągnięć projektu było dostosowanie metod HS-FS i AFS do pracy bezpośrednio na żywych komórkach, co pozwoliło na szczegółowe zbadanie mechaniki i adhezji leukocytów. „Dzięki połączeniu tych narzędzi z zaawansowaną mikroskopią optyczną uzyskaliśmy możliwość pomiaru sił na żywych komórkach, jednocześnie uzyskując dostęp do bezprecedensowego zakresu skal czasowych” — podkreśla główny badacz MechaDynA, Felix Rico. Część projektu wykazała, że adhezja jest powiązana z usztywnieniem mechanicznym komórek leukocytów. Co ciekawe, usztywnienie wydaje się utrzymywać nawet po usunięciu adhezji, co tylko podkreśla nieznany wcześniej aspekt mechaniki komórkowej. Ogólnie rzecz biorąc, odkrycia zespołu MechaDynA poprawiają nasze zrozumienie sił mechanicznych wpływających na procesy biologiczne.
Przyszłe zastosowania
Sukces projektu MechaDynA w adaptacji i zastosowaniu technik HS-FS i AFS do badania leukocytów stanowi ważny kamień milowy w badaniach biofizycznych. Kolejne etapy projektu obejmują rozszerzenie tych metod na inne systemy komórkowe, takie jak krążące komórki nowotworowe, które przed przerzutami do odległych narządów przypominają leukocyty przemieszczające się w krwiobiegu. Badanie mechaniki takich komórek może doprowadzić do przełomu w diagnostyce i leczeniu raka. Ponadto nanonarzędzia wykorzystywane w projekcie MechaDynA wydają się też obiecujące jako metoda badania innych systemów biologicznych, takich jak interakcje między komórkami wirusa, co może przyczynić się do lepszego zrozumienia infekcji wirusowych i pomóc w opracowaniu terapii przeciwwirusowych. Możliwość opatentowania tych nanonarzędzi pokazuje ich innowacyjny charakter i możliwość zastosowania w wielu dyscyplinach oraz otwiera nowe możliwości sprostania pilnym wyzwaniom biomedycznym. Ponadto, opracowany w ramach projektu pakiet oprogramowania open-source PyFMLab oferuje ustandaryzowane rozwiązanie do charakterystyki lepkosprężystej próbek biologicznych.
Słowa kluczowe
MechaDynA, siły, szybka spektroskopia sił (HS-FS), spektroskopia sił akustycznych (AFS), adhezja leukocytów, właściwości mechaniczne, biofizyka
