Взгляд физики на заживление ран

В физике материалов центральный интерес представляет понимание того, как системы взаимодействуют через разделяющие их интерфейсы. Но могут ли физические модели прояснить аналогичные концепции в живых системах, таких как ? Физики Женевского университета (UNIGE) в сотрудничестве с Цюрихским университетом (UZH) использовали структуру неупорядоченных эластических систем для изучения процесса заживления ран — пролиферации клеточных фронтов, которые в конечном итоге соединяются, чтобы закрыть поражение. Их исследование выявило масштабы доминирующих взаимодействий между клетками, которые определяют этот процесс. Результаты, опубликованные в журнале Научные отчеты, позволит лучше анализировать клеточного фронта с точки зрения как заживления ран, так и развития . В будущем этот подход может предложить персонализированную диагностику для классификации рака и более целенаправленного лечения, а также для определения новых фармакологических целей для трансплантации.


Сосредоточив внимание на макроскопических свойствах больших наборов данных, статистическая позволяет получить поведения системы независимо от ее конкретного микроскопического характера. Применительно к биологическим элементам, таким как фронты клеток, граничащие с раной, этот подход позволяет идентифицировать различные взаимодействия, которые играют определяющую роль во время роста, дифференциации и заживления тканей, но, прежде всего, для выделения их иерархии в различных наблюдаемых масштабах. . Патриция Парух, профессор кафедры квантовой физики материи на научном факультете UNIGE, объясняет: «При инвазии раковой опухоли или в случае раны решающее значение имеет пролиферация фронта клеток, но и морфология фронта очень высоки. переменная. Однако мы считаем, что только несколько доминирующих взаимодействий во время этого процесса будут определять динамику и форму — гладкую или грубую, например, — края клеточной колонии. Экспериментальные наблюдения в нескольких масштабах длины для определения общего поведения могут позволить нам выявить эти взаимодействия в здоровых тканях и диагностировать, на каком уровне могут происходить патологические изменения, чтобы помочь в борьбе с ними. Вот где появляется статистическая физика ».

Множество масштабов заживления ран

В этом междисциплинарном исследовании физики UNIGE сотрудничали с командой профессора Стивена Брауна из UZH. Используя эпителиальные клетки крыс, они создали плоские колонии (2D), в которых клетки растут вокруг силиконовой вставки, а затем удаляются, чтобы имитировать открытое поражение. Затем клеточные фронты разрастаются, заполняя отверстие и заживляя ткань. «Мы воспроизвели пять возможных сценариев,« ограничивая »клетки разными способами, чтобы увидеть, какое влияние это оказывает на заживление ран, то есть на скорость и шероховатость клеточного фронта», — объясняет Гийом Рапен, исследователь в команде Патриции Парух. . Идея состоит в том, чтобы увидеть, что происходит в нормальной здоровой ткани, или когда такие процессы, как деление клеток и связь между соседними клетками, подавляются, когда клеток снижается или когда клетки постоянно фармакологически стимулируются. «Мы делали около 300 изображений каждые четыре часа в течение примерно 80 часов, что позволило нам наблюдать фронты пролиферирующих клеток в самых разных масштабах», — продолжает Гийом Рапен. «Применяя высокопроизводительные вычислительные методы, мы смогли сравнить наши экспериментальные наблюдения с результатами численного моделирования», — добавляет Нирвана Кабальеро, другой исследователь в команде Патриции Парух.

Уменьшение для большего эффекта

Ученые наблюдали два различных режима шероховатости: менее 15 микрометров, меньше размера одной ячейки, и от 80 до 200 микрометров, когда задействовано несколько ячеек. «Мы проанализировали, как показатель шероховатости изменяется с течением времени, чтобы достичь своего естественного динамического равновесия, в зависимости от фармакохимических условий, которые мы наложили на клетки, и как эта шероховатость увеличивается в зависимости от масштаба, на который мы смотрим», — подчеркивает Нирвана Кабальеро. «В системе с одним доминирующим взаимодействием мы ожидаем увидеть один и тот же показатель шероховатости на всех масштабах. Здесь мы видим изменяющуюся шероховатость, если мы посмотрим на масштаб одной или десяти ячеек».

Команды из Женевы и Цюриха выявили лишь незначительные отклонения показателя шероховатости ниже 15 микрометров, независимо от условий, наложенных на фронты ячеек. С другой стороны, они обнаружили, что между 80 и 150 микрометрами шероховатость изменяется всеми фармакологическими ингибиторами, что значительно снижает показатель шероховатости. Более того, они наблюдали, что скорость пролиферации сильно варьировалась в зависимости от различных фармакохимических условий, замедляясь, когда деление и подвижность клеток подавлялось, и ускорялась при стимуляции клеток. «Что еще более удивительно, самая быстрая скорость распространения была достигнута, когда связь между клетками через щелевые соединения была заблокирована», — говорит Гийом Рапен. Это наблюдение предполагает, что такое общение может быть нацелено на будущие методы лечения либо для ускорения заживления ожогов или ран, либо для замедления инвазии раковой опухоли.

Эти результаты показывают, что взаимодействия среднего масштаба играют решающую роль в определении здоровой пролиферации клеточного фронта. «Теперь мы знаем, в каком масштабе биологи должны искать проблемное поведение клеточных фронтов, которое может привести к развитию опухолей», — говорит Нирвана Кабальеро. Теперь ученые смогут сосредоточиться на этих ключевых масштабах, чтобы исследовать фронты опухолевых клеток и напрямую сравнивать их патологические взаимодействия со здоровыми клетками.

0 Комментарий
Inline Feedbacks
View all comments