Znanstvenici otkrili zašto su tkiva fleksibilna ili kruta

Voda čini oko 60 posto ljudskog tijela. Više od polovice te vode kruži unutar stanica koje čine organe i tkiva. Velik dio preostale vode teče u pukotinama i udubljenjima između stanica, slično kao morska voda između zrnaca pijeska.

Inženjeri MIT-a sada su otkrili da ova međustanična tekućina igra glavnu ulogu u tome kako tkiva reagiraju kada se stisne, pritisne ili fizički deformira. Njihova otkrića mogla bi pomoći znanstvenicima da razumiju kako se stanice, tkiva i organi fizički prilagođavaju uvjetima poput starenja, raka, dijabetesa i određenih neuromuskularnih bolesti.

U radu objavljenom u časopisu Nature Physics, istraživači pokazuju da kada se tkivo pritisne ili stisne, ono je podložnije i brže se opušta kada tekućina između stanica lako teče. Kada su stanice zbijene zajedno i ima manje prostora za međustanični protok, tkivo u cjelini je kruće i otpornije na pritisak ili stiskanje.

Ovi nalazi dovode u pitanje konvencionalno mišljenje, koje je pretpostavljalo da prilagodljivost tkiva uglavnom ovisi o onome što se nalazi unutar, a ne oko stanice. Sada kada su istraživači pokazali da međustanični protok određuje kako će se tkiva prilagoditi fizičkim silama, rezultati se mogu primijeniti za razumijevanje širokog raspona fizioloških stanja, uključujući kako mišići podnose vježbu i oporavljaju se od ozljeda, te kako fizička prilagodljivost tkiva može utjecati na napredovanje starenja, raka i drugih medicinskih stanja.

Tim predviđa da bi rezultati mogli utjecati i na dizajn umjetnih tkiva i organa. Na primjer, u inženjerstvu umjetnog tkiva, znanstvenici bi mogli optimizirati međustanični protok unutar tkiva kako bi poboljšali njegovu funkciju ili otpornost. Istraživači sumnjaju da bi međustanični protok mogao biti i put za dostavu hranjivih tvari ili terapija, bilo za zacjeljivanje tkiva ili iskorjenjivanje tumora.

„Ljudi znaju da između stanica u tkivima ima puno tekućine, ali koliko je to važno, posebno kod deformacije tkiva, potpuno se zanemaruje“, kaže Ming Guo, izvanredni profesor strojarstva na MIT-u. „Sada zaista pokazujemo da možemo promatrati taj tok. I kako se tkivo deformira, tok između stanica dominira ponašanjem. Dakle, obratimo pozornost na ovo kada proučavamo bolesti i konstruiramo tkiva.“

Guo i njegova grupa proučavali su mehaniku deformacije tkiva, a posebno ulogu međustaničnog protoka, nakon studije koju su objavili 2020. godine. U toj studiji usredotočili su se na tumore i promatrali način na koji tekućina može teći od središta tumora do njegovih rubova, kroz pukotine i procjepe između pojedinačnih tumorskih stanica. Otkrili su da kada se tumor stisne ili pritisne, međustanični protok se povećava, djelujući kao transportna traka za transport tekućine od središta do rubova. Otkrili su da međustanični protok može potaknuti invaziju tumora u okolna područja.

U svojoj novoj studiji, tim je istraživao kakvu bi ulogu ovaj međustanični tok mogao imati u drugim, nekancerogenim tkivima.

„Čini se da ima veliki utjecaj hoće li tekućina teći između stanica ili ne“, kaže Guo. „Stoga smo odlučili pogledati dalje od tumora kako bismo vidjeli kako taj protok utječe na to kako druga tkiva reagiraju na deformaciju.“

Istraživači su proučavali međustanični tok u raznim biološkim tkivima, uključujući stanice izvedene iz tkiva gušterače. Proveli su eksperimente u kojima su prvo uzgajali male nakupine tkiva, od kojih je svaka bila manja od četvrtine milimetra širine i brojala desetke tisuća pojedinačnih stanica. Svaku nakupinu tkiva smjestili su u posebno dizajniranu platformu za testiranje koju je tim posebno izgradio za studiju.

„Ovi uzorci mikrotkiva nalaze se u zoni gdje su preveliki za vidjeti tehnikama mikroskopije atomskih sila i premali za glomaznije uređaje“, kaže Guo. „Stoga smo odlučili izraditi uređaj.“

Istraživači su prilagodili visokopreciznu mikrovagu koja mjeri sitne promjene u težini. Kombinirali su to sa 'koračnim' motorom koji je dizajniran da pritiska uzorak s nanometarskom preciznošću. Tim je postavljao nakupine tkiva jednu po jednu na vagu i bilježio promjenu težine svake nakupine dok se opuštala iz sfere u oblik palačinke kao odgovor na kompresiju.

Za svaku vrstu tkiva, tim je napravio klastere različitih veličina. Zaključili su da ako je odgovor tkiva određen protokom između stanica, onda što je tkivo veće, to bi trebalo dulje da voda prodre kroz njega, i stoga bi trebalo dulje da se tkivo opusti. Trebalo bi trajati isto vrijeme, bez obzira na veličinu, ako je odgovor tkiva određen strukturom tkiva, a ne tekućinom.

Tijekom višestrukih eksperimenata s različitim vrstama i veličinama tkiva, tim je uočio sličan trend: što je veći klaster, to mu je dulje trebalo da se opusti, što ukazuje na to da međustanični protok dominira odgovorom tkiva na deformaciju.

U budućnosti, tim planira istražiti kako međustanični protok utječe na funkciju mozga, posebno kod poremećaja poput Alzheimerove bolesti.