به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، سلول‌ها مانند انسان‌ها و هرموجود زنده دیگری با هم ارتباط برقرار می‌کنند. در واقع سلول‌ها به روش خاص خودشان و  با استفاده از امواج به عنوان زبان مشترک خود به یکدیگر می‌گویند کجا و چه زمانی حرکت کنند. بنابراین آن‌ها باهم صحبت می‌کنند، اطلاعاتی را به اشتراک می‌گذارند، و با هم کار می‌کنند، بسیار شبیه به تیم بین‌رشته‌ای از محققان مؤسسه علم و فناوری اتریش (ISTA) و دانشگاه ملی سنگاپورزیرا (NUS)، زیرا آنها نیز تحقیقاتی را در مورد نحوه ارتباط سلول‌ها و دانستن این ارتباط برای ترمیم زخم انجام دادند.  با توجه به اینکه علم زیست شناسی ممکن است تصاویری از حیوانات، گیاهان یا حتی مدل‌های کامپیوتری نظری را تداعی کند. در تحقیقات بیولوژیکی بسیار مهم است. نحوه ارتباط و همکاری میان پدیده‌های پیچیده بیولوژیکی و حتی جزئی‌ترین جزئیات را از طریق محاسبات دقیق درک کرد. پروفسور هانزو ISTA، از این محاسبات برای درک اصول فیزیکی در سیستم‌های بیولوژیکی استفاده می‌کند. کار اخیر تیم او یک مدل نظری جدید و دقیق و به بیانی دیگر  فهم جدیدی را در مورد چگونگی حرکت سلول‌ها و برقراری ارتباط آنها در بافت زنده ارائه می‌دهد. این مدل که در 20 جولای در مجله PRX Life منتشر شد، درک ما را از ارتباطات دوربرد سلول-سلول افزایش می‌دهد. زیرا این نیروهای مکانیکی پیچیده اعمال شده توسط سلول‌ها و فعالیت بیوشیمیایی آنها را مشخص می‌کند.

فعل و انفعالات سلولی و تشکیل بافت

فعل و انفعالات سلول-سلول برای تشکیل بافت، هموستاز، فرآیندهای بازسازی و پاسخ ایمنی بسیار مهم است. تخمین زده می شود که بدن انسان از بیش از 200 نوع سلول مختلف تشکیل شده است که در مجموع تقریباً 3.72 × 1013 سلول دارد. سلول‌هایی با عملکردهای تخصصی واحدهای عملکردی مانند اندام‌های (مغز، قلب، کبد و غیره)، پوست، استخوان، خون و ماهیچه را با هماهنگ کردن رفتار خود از طریق ارتباط با سایر سلول‌ها تشکیل می‌دهند. فعل و انفعالات سلولی همچنین در طول رشد جنینی و در فرآیندهای فیزیولوژیکی اساسی مانند انتقال عصبی، بهبود زخم و التهاب نقش اساسی دارند. بنابراین، مطالعه برهمکنش های سلولی برای درک رشد و عملکرد موجودات چند سلولی بسیار مهم است. تعامل سلول-سلول یک پدیده پیچیده است. یک سلول می‌تواند از طریق تماس فیزیکی، برهمکنش گیرنده- لیگاند سطحی، اتصالات سلولی و محرک‌های ترشح شده از سلول‌های مجاور یا اندام‌های دور با بسیاری از سلول‌های دیگر تعامل داشته باشد. فعل و انفعالات از طریق عوامل ترشح شده مانند فاکتورهای رشد مبتنی بر پروتئین یا پپتید و سیتوکین‌ها، مولکول‌های کوچک و متابولیت‌ها  به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است. در اینجا قرار است زاویه جدیدی از این ارتباط را بررسی کنیم.

ارزیابی پویایی مواد بیولوژیکی در بافت زنده

بافت‌های زنده توسط یک تعامل ذاتی مکانیکی شیمیایی نیروهای فیزیکی فعال و مسیرهای سیگنالینگ بیوشیمیایی پیچیده مشخص می‌شوند. هر یک از این ویژگی ها به تنهایی می‌تواند منجر به پدیده‌های نوظهور پیچیده شود، به عنوان مثال، دینامیک شیشه ای و انتقال صلبیت مکانیکی، یا ناپایداری‌های انتشار واکنش شیمیایی. یک سوال مهم این است که چگونه می‌توان سهم این نشانه‌های مختلف را در پویایی مواد بیولوژیکی در مقیاس بزرگ ارزیابی کرد. بنابراین کشف خواص مواد زنده نیاز به درک چگونگی عمل نیروها و مواد مکانیکی فعال در مقیاس‌های درون سلولی دارد که با نحوه ادغام این خواص فیزیکی با ترکیب پویایی سیگنالینگ بیوشیمیایی پیچیده در داخل و بین سلول‌ها همراه است. یکی دیگر از ویژگی‌های رایج در بافت‌ها وجود امواج مکانیکی است، که در سراسر بافت مشاهده می‌شود، به عنوان مثال، امواج جفت شده از سرعت سلول، چگالی، تنش مکانیکی و فعال شدن مسیر سیگنالینگ ERK/MAPK در شرایط آزمایشگاهی است.

تولید نیرو در مقیاس سلولی

در فرآیندهای سلولی تکوینی، ویژگی‌های مولکولی و سلولی واسطه تولید نیروی مکانیکی، انتقال و حس ، هموستاتیک و مرتبط با بیماری به طور فزاینده ای به خوبی درک شده است. تولید نیرو در مقیاس سلولی معمولاً با برهمکنش پروتئین‌های حرکتی مانند میوزین با عناصر رشته‌ای مانند F-اکتین حاصل می‌شود و در نتیجه ساختارو مکانیکی اسکلت سلولی را تغییر می‌دهد. علاوه بر این، نیروهای مکانیکی می‌توانند با رشد پلیمریزاسیون ساختارهای اسکلت سلولی و تنظیم حجم سلولی ایجاد شوند. در نهایت اینکه شواهد فزاینده ای وجود دارد که سیگنال‌های مکانیکی و بیوشیمیایی هر دو نقش مهمی در توسعه و بیماری دارند. بنابراین بررسی تکوین ارگانیسم‌های پیچیده، به ویژه، برای تکیه بر بازخورد بین رویدادهای الگوبرداری مکانیکی و بیوشیمیایی پیشنهاد شده‌است. این بازخورد در سطح مولکولی از طریق حس مکانیکی اتفاق می‌افتد، اما می‌تواند به‌عنوان یک ویژگی نوظهور سیستم در سطح سلولی و بافتی نیز ایجاد شود.

سلول‌ها با ایجاد امواج باهم ارتباط برقرار می‌کنند

فرض کنید یک ظرف پتری دارید که با سلول‌ها پوشیده شده است - یک لایه. به نظر می‌رسد که فقط آنجا می‌نشینند. اما حقیقت این است که آنها حرکت می‌کنند، می‌چرخند و به طور خود به خود رفتارهای آشفته‌ای انجام می‌دهند. مانند یک جمعیت متراکم در کنسرت، اگر یک سلول به یک طرف کشیده شود، سلول دیگر عمل آن را حس می‌کند و می‌تواند با رفتن در همان جهت یا کشیدن به سمت مخالف واکنش نشان دهد. سپس اطلاعات می‌توانند در امواج منتشر شده و حرکت کنند - امواجی که در زیر میکروسکوپ قابل مشاهده هستند. هانزو ادامه می‌دهد: «سلول‌ها نه تنها نیروهای مکانیکی، بلکه محیط شیمیایی خود (نیروها و سیگنال‌های بیوشیمیایی سلول‌ها بر یکدیگر اعمال می‌شوند) را نیز حس می‌کنند . درواقع ارتباطات آنها تعاملی از فعالیت‌های بیوشیمیایی، رفتار فیزیکی و حرکت است. با این حال، گستردگی هر یک از شیوه‌های ارتباطی و نحوه عملکرد چنین فعل و انفعالات مکانیکی شیمیایی در بافت‌های زنده تاکنون ناشناخته بوده است.

پیش بینی الگوهای حرکتی

هدف دانشمندان با الهام از الگوهای امواج مرئی، به دنبال ایجاد یک مدل نظری بودند که نظریه‌های قبلی آنها را در مورد حرکت سلول تأیید کند. دانیل بوکوک توضیح می‌دهد: «در کار قبلی‌مان، می‌خواستیم منشأ بیوفیزیکی امواج و اینکه آیا آنها در سازمان‌دهی مهاجرت سلولی نقشی دارند را کشف کنیم. با این حال، انتقال مایع به جامد بافت، نویز ذاتی سیستم، یا ساختار دقیق امواج در دوبعدی را در نظر نگرفته بودیم. ولی آخرین مدل کامپیوتری آنها به تحرک سلولی و خواص مواد بافت توجه دارد. بوکوک و هانزو با آن دریافتند که سلول‌ها چگونه به صورت مکانیکی و شیمیایی باهم ارتباط برقرار می‌کنند و چگونه حرکت می‌کنند. آنها توانستند پدیده‌های مشاهده شده در ظروف پتری را تکرار کنند و توضیح نظری ارتباطات سلولی را بر اساس قوانین فیزیکی تأیید کنند.

تست تئوری مدل جدید برای سیستم‌های بیولوژیکی

برای اثبات تجربی، بوکوک و هانزو با بیوفیزیکدان تسویوشی هیراشیما همکاری کردند. برای آزمایش دقیق اینکه آیا مدل جدید برای سیستم‌های بیولوژیکی واقعی قابل اجرا است، دانشمندان از تک لایه‌های دو بعدی سلول‌های MDCK(سلول‌های کلیه پستانداران خاص ) استفاده کردند که یک مدل کلاسیک آزمایشگاهی برای چنین تحقیقاتی هستند. هانزو توضیح می‌دهد: «اگر یک مسیر سیگنال‌دهی شیمیایی را که به سلول‌ها امکان حس و تولید نیرو را می‌دهد، مهار کنیم، سلول‌ها از حرکت باز می‌مانند و هیچ امواج ارتباطی پخش نمی‌شود. با تئوری تعریف شده در این مطالعه ، ما به راحتی می‌توانیم اجزای مختلف این سیستم پیچیده را تغییر دهیم و تعیین کنیم که چگونه پویایی بافت سازگار می‌شود.

بافت سلولی رفتاری مشابه کریستال مایع دارد

بافت سلولی خواصی مشابه کریستال‌های مایع از خود نشان می‌دهد: زیرا مانند یک مایع جریان دارد اما مانند یک کریستال سازمان یافته است. Boocock می‌افزاید: در این مطالعه "به طور ویژه، رفتار کریستال مایع بافت بیولوژیکی تنها مستقل از امواج مکانیکی شیمیایی مورد مطالعه قرار گرفته است." گسترش بافت‌های سه بعدی یا تک لایه‌ها با اشکال پیچیده، درست مانند موجودات زنده، یکی از راه‌های احتمالی آینده برای بررسی بیشتر این موضوع است.

بررسی این مدل برای کاربردهای ترمیم زخم

محققان همچنین شروع به اصلاح این مدل برای کاربردهای ترمیم زخم کرده‌اند. هانزو با اشتیاق اضافه می‌کند: «آنچه واقعاً جالب است این است که مدل ما چقدر برای بهبود زخم در سلول‌های موجودات زنده کار می‌کند.»

پایان مطلب/.