Professor of Mechanical and Biomedical Engineering, University of Colorado Boulder, The Conversation.
Μερικές φορές τα κύτταρα μπορεί να ξεχάσουν τι τύπος κυττάρου είναι και να σταματήσουν να λειτουργούν σωστά. Αυτό συμβαίνει συνήθως στον καρκίνο, στον οποίο τα ώριμα κύτταρα χάνουν πτυχές της ταυτότητάς τους και γίνονται πιο επιρρεπή αρχίζοντας να διαιρούνται ανεξέλεγκτα.
Καρδιοπάθειες όπως η μυοκαρδιοπάθεια, μια ασθένεια που καθιστά δυσκολότερη την άντληση αίματος, επηρεάζουν το σχήμα και τη λειτουργία των προσβεβλημένων καρδιακών κυττάρων. Αυτές οι αλλαγές μπορούν επίσης να συμβούν στον πυρήνα του κυττάρου, ο οποίος φιλοξενεί το γενετικό υλικό που λέει σε ένα κύτταρο πώς να λειτουργεί.
Επειδή ορισμένες αλλαγές στη δομή του πυρήνα του κυττάρου μπορεί να είναι έγκαιρα προειδοποιητικά σήματα για καρδιακά προβλήματα, η παρακολούθηση τέτοιων αλλαγών θα μπορούσε να βοηθήσει τους κλινικούς γιατρούς να διαγνώσουν και να θεραπεύσουν την ασθένεια προτού επιδεινωθεί. Οι ερευνητές γνωρίζουν ότι ορισμένες αλλαγές στις φυσικές δυνάμεις που ασκούνται στα καρδιακά κύτταρα, συμπεριλαμβανομένης της συστολής τους, μπορεί να οδηγήσουν τα κύτταρα να χάσουν την ταυτότητα των καρδιακών κυττάρων τους και να λειτουργήσουν ανεπαρκώς. Αλλά το πώς ακριβώς λειτουργούν αυτές οι φυσικές δυνάμεις για να αλλάξουν την ταυτότητα των καρδιακών κυττάρων δεν είναι σαφές.
Σε μια νέα μελέτη που δημοσιεύσαμε μαζί με τους συναδέλφους μου στο περιοδικό Nature Biomedical Engineering, ανακαλύψαμε ότι οι μηχανικές δυνάμεις μπορούν να αναδιοργανώσουν το γενετικό υλικό μέσα στον πυρήνα των καρδιακών κυττάρων και να επηρεάσουν τον τρόπο ανάπτυξης και λειτουργίας τους. Η καλύτερη κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα κύτταρα διεκδικούν και διατηρούν την ταυτότητά τους μπορεί να βοηθήσει στην προώθηση θεραπειών για την αποκατάσταση της καρδιακής βλάβης και στη δημιουργία νέων προσθετικών ιστών.
Στην αρχή της ανθρώπινης ανάπτυξης, οι εξωτερικές πιέσεις που περιβάλλουν τα ανώριμα κύτταρα επηρεάζουν τον τύπο κυττάρου που τελικά γίνονται όταν διαφοροποιούνται ή ωριμάζουν πλήρως. Αυτές οι εξωτερικές δυνάμεις βοηθούν επίσης στη διατήρηση της υγείας των ιστών καθώς οι άνθρωποι γερνούν. Κατά τη διαφοροποίηση, τα κύτταρα μετακινούνται και αναδομούν ένα μείγμα πρωτεϊνών και DNA που ονομάζεται χρωματίνη και βρίσκεται στον πυρήνα τους. Τα κύτταρα χρησιμοποιούν τη χρωματίνη ως τρόπο συσκευασίας και οργάνωσης του γενετικού τους κώδικα.
Γνωρίζοντας ότι οι εξωτερικές φυσικές πιέσεις μπορούν να επηρεάσουν τον τρόπο με τον οποίο ωριμάζουν τα κύτταρα, το ερευνητικό μου εργαστήριο και εγώ θέλαμε να διερευνήσουμε πώς οι μηχανικές δυνάμεις μπορούν να αναδιοργανώσουν τη χρωματίνη και τι μπορεί να μας πει αυτό για το πώς αναπτύσσονται τα καρδιακά κύτταρα και μερικές φορές σταματούν να λειτουργούν.
Για να γίνει αυτό, εξετάσαμε κύτταρα καρδιάς ενηλίκων καθώς συσπώνταν κάτω από ένα μικροσκόπιο για να δούμε πώς αλλάζουν σχήμα οι πυρήνες τους. Στη συνέχεια, συγκρίναμε αυτές τις εικόνες με τους πυρήνες των εμβρυϊκών καρδιακών κυττάρων καθώς αλλάζουν κανονικά κατά την πρώιμη ανάπτυξη. Βρήκαμε ότι περιοχές στον πυρήνα με υψηλή ένταση είχαν την τάση να οργανώνουν τη χρωματίνη σε συγκεκριμένα σχήματα που είναι γνωστό ότι επηρεάζουν τη συμπεριφορά των κυττάρων. Όταν αλλάξαμε την ένταση σε αυτές τις περιοχές του πυρήνα, μπορέσαμε να αποτρέψουμε την ανάπτυξη των κυττάρων σε φυσιολογικά καρδιακά κύτταρα. Αυτό σήμαινε ότι η ένταση μπορεί να διαδραματίσει βασικό ρόλο στην καθοδήγηση των καρδιακών κυττάρων στο πώς να αναπτυχθούν.
Στη συνέχεια, εξετάσαμε πώς το μηχανικό στρες άλλαξε τη δομή της χρωματίνης των καρδιακών κυττάρων από ασθενείς με καρδιαγγειακή νόσο και ποντίκια με μειωμένη καρδιακή απόδοση. Σε σύγκριση με τα υγιή κύτταρα, τα καρδιακά κύτταρα από ασθενείς και από ποντίκια έχασαν την οργάνωση της χρωματίνης και την ταυτότητά τους ως καρδιακά κύτταρα. Αυτό σήμαινε ότι η μηχανική τάση θα μπορούσε να επηρεάσει το πόσο καλά λειτουργούν τα ώριμα κύτταρα και την πιθανότητα να εξελιχθούν σε καρδιαγγειακή νόσο.
Οι μηχανικές δυνάμεις έχουν σημασία στην ιατρική
Ενώ η μελέτη μας διερευνά τον ρόλο που παίζει η αναδιοργάνωση της χρωματίνης στην πρώιμη ανάπτυξη, απαιτείται πρόσθετη έρευνα για να κατανοηθεί ακριβώς τι προκαλεί την ανάπτυξη των κυττάρων σε συγκεκριμένους τύπους κυττάρων. Περαιτέρω γνώση του τρόπου με τον οποίο το μηχανικό περιβάλλον επηρεάζει τον τρόπο με τον οποίο ωριμάζει το κύτταρο θα βοηθήσει τους ερευνητές να κατανοήσουν καλύτερα τη διαδικασία της ανθρώπινης ανάπτυξης.
Η κατανόηση του τι κάνει ένα σύνολο κυττάρων να γίνει ένα πλήρως λειτουργικό όργανο μπορεί επίσης να βοηθήσει τους ερευνητές να μάθουν πώς να μιμούνται αυτές τις αναπτυξιακές διαδικασίες και να δημιουργούν νέες προσθετικές συσκευές. Για παράδειγμα, ο υπολογισμός των μηχανικών δυνάμεων που επηρεάζουν το πόσο καλά λειτουργούν τα μοσχεύματα ιστών για τις καρδιές και τους μύες που αποτυγχάνουν μπορεί να βοηθήσει τους βιοϊατρικούς μηχανικούς να σχεδιάσουν πιο αποτελεσματικά τεχνητά εμφυτεύματα.
