Inženýři z MIT odhalili překvapivý důvod flexibility a tuhosti tkání

Voda tvoří přibližně 60 procent lidského těla. Více než polovina této vody se nachází uvnitř buněk, které tvoří orgány a tkáně. Zbývající voda proudí v mezerách mezi buňkami, podobně jako mořská voda mezi zrny písku.

Inženýři z MIT zjistili, že tato „intercelulární“ tekutina hraje klíčovou roli v tom, jak tkáně reagují na tlak a fyzickou deformaci. Jejich zjištění by mohla pomoci vědcům pochopit, jak se buňky, tkáně a orgány fyzicky přizpůsobují stavům, jako je stárnutí, rakovina, diabetes a některá neuromuskulární onemocnění.

V článku publikovaném v časopise Nature Physics výzkumníci ukazují, že když je tkáň stlačena, je pružnější a rychleji se uvolňuje, pokud tekutina mezi buňkami snadno proudí. Když jsou buňky těsněji uspořádány a je méně prostoru pro intercelulární proudění, tkáň jako celek je tužší a odolává tlaku.

Zjištění odporují tradičnímu pohledu, který předpokládal, že pružnost tkáně závisí hlavně na tom, co je uvnitř, spíše než kolem buňky. Nyní, když výzkumníci ukázali, že intercelulární proudění určuje, jak se tkáně přizpůsobí fyzikálním silám, lze výsledky aplikovat na pochopení širokého spektra fyziologických stavů, včetně toho, jak svaly odolávají cvičení a zotavují se po zranění, a jak fyzická přizpůsobivost tkáně může ovlivnit progresi stárnutí, rakoviny a dalších onemocnění.

Tým předpokládá, že výsledky by mohly také ovlivnit návrh umělých tkání a orgánů. Například při navrhování umělé tkáně by vědci mohli optimalizovat intercelulární proudění v tkáni, aby zlepšili její funkci nebo odolnost. Výzkumníci se domnívají, že intercelulární proudění by také mohlo být cestou pro dodávání živin nebo terapií, ať už k hojení tkáně, nebo k eradikaci nádoru.

„Lidé vědí, že mezi buňkami v tkáních je hodně tekutiny, ale jak důležité to je, zejména u deformace tkáně, je zcela ignorováno,“ říká Ming Guo, docent strojního inženýrství na MIT. „Nyní skutečně ukazujeme, že můžeme pozorovat tento tok. A když se tkáň deformuje, tok mezi buňkami dominuje chování. Takže na to dejme pozor, když studujeme nemoci a konstruujeme tkáně.“

Guo je spoluautorem nové studie, která zahrnuje hlavní autorku a postdoktorskou studentku MIT Fan Liu PhD '24, spolu s Bo Gaem a Hui Lim z Pekingské normální univerzity a Liranem Leiem a Shuainanem Liujem z Pekingské unie lékařské koleje.

Stlačené a zmáčknuté

Tkáně a orgány v našem těle neustále procházejí fyzickými deformacemi, od velkého protažení a napětí svalů během pohybu až po malé a stálé kontrakce srdce. V některých případech může to, jak snadno se tkáně přizpůsobí deformaci, souviset s tím, jak rychle se člověk zotaví například z alergické reakce, sportovního zranění nebo mozkové mrtvice. Nicméně, to, co přesně určuje reakci tkáně na deformaci, je do značné míry neznámé.

Guo a jeho skupina na MIT se zaměřili na mechaniku deformace tkáně a zejména na roli intercelulárního proudění, po studii, kterou publikovali v roce 2020. V této studii se zaměřili na nádory a pozorovali, jak může tekutina proudit ze středu nádoru k jeho okrajům, přes trhliny a štěrbiny mezi jednotlivými nádorovými buňkami. Zjistili, že když byl nádor stlačen, intercelulární proudění se zvýšilo a fungovalo jako dopravník, který transportuje tekutinu ze středu k okrajům. Intercelulární proudění, zjistili, mohlo pohánět invazi nádoru do okolních oblastí.

Ve své nové studii se tým snažil zjistit, jakou roli by toto intercelulární proudění mohlo hrát v jiných, ne-nádorových tkáních.

„Zda dovolíte tekutině proudit mezi buňkami nebo ne, zdá se, že má velký dopad,“ říká Guo. „Takže jsme se rozhodli podívat se i mimo nádory, abychom zjistili, jak tento tok ovlivňuje to, jak jiné tkáně reagují na deformaci.“

Tekutá palačinka

Guo, Liu a jejich kolegové studovali intercelulární proudění v různých biologických tkáních, včetně buněk získaných z pankreatické tkáně. Prováděli experimenty, ve kterých nejprve kultivovali malé shluky tkáně, z nichž každý měřil méně než čtvrt milimetru a obsahoval desítky tisíc jednotlivých buněk. Každý shluk tkáně umístili na speciálně navrženou testovací platformu, kterou tým pro studii postavil.

„Tyto vzorky mikrotkáni jsou v této sladké zóně, kde jsou příliš velké na to, aby je bylo možné vidět technikami atomové silové mikroskopie, a příliš malé pro objemnější zařízení,“ říká Guo. „Takže jsme se rozhodli postavit zařízení.“

Výzkumníci upravili vysoce přesnou mikrováhu, která měří drobné změny hmotnosti. Kombinovali ji s krokovým motorem, který je navržen tak, aby tlačil na vzorek s nanometrové přesností. Tým umístil shluky tkání jeden po druhém na váhu a zaznamenával změnu hmotnosti každého shluku, když se uvolnil ze sféry do tvaru palačinky v reakci na stlačení. Tým také natočil videa shluků, když byly stlačeny.

Pro každý typ tkáně tým vytvořil shluky různých velikostí. Usoudili, že pokud je reakce tkáně řízena proudem mezi buňkami, pak čím větší tkáň, tím déle by mělo trvat, než voda prosákne, a proto by mělo trvat déle, než se tkáň uvolní. Mělo by to trvat stejnou dobu, bez ohledu na velikost, pokud je reakce tkáně určena strukturou tkáně spíše než tekutinou.

Během mnoha experimentů s různými typy a velikostmi tkání tým pozoroval podobný trend: čím větší shluk, tím déle trvalo, než se uvolnil, což naznačuje, že intercelulární proudění dominuje reakci tkáně na deformaci.

„Ukazujeme, že toto intercelulární proudění je klíčovou součástí, kterou je třeba zvážit při základním pochopení mechaniky tkáně a také při aplikacích v inženýrství živých systémů,“ říká Liu.

Do budoucna se tým chystá zkoumat, jak intercelulární proudění ovlivňuje funkci mozku, zejména u poruch, jako je Alzheimerova choroba.

„Intercelulární nebo intersticiální proudění může pomoci odstraňovat odpad a dodávat živiny do mozku,“ dodává Liu. „Zvýšení tohoto proudění v některých případech by mohlo být dobrou věcí.“

„Jak tato práce ukazuje, když aplikujeme tlak na tkáň, tekutina bude proudit,“ říká Guo. „V budoucnu můžeme uvažovat o navrhování způsobů, jak masírovat tkáň, aby umožnila tekutině transportovat živiny mezi buňkami.“