Duke shikuar nën mikroskop, një grup qelizash lëviz ngadalë përpara në një linjë, si një tren në shinat e tij. Qelizat navigojnë përmes mjediseve komplekse. Një qasje e re nga studiuesit që përfshin Institutin e Shkencës dhe Teknologjisë Austria (ISTA) tani tregon se si e bëjnë këtë dhe si bashkëveprojnë me njëra-tjetrën. Vëzhgimet eksperimentale dhe koncepti matematik që pason janë publikuar në Nature Physics.
Shumica e qelizave në trupin e njeriut nuk mund të lëvizin. Disa specifike, megjithatë, mund të shkojnë në vende të ndryshme. Për shembull, në shërimin e plagëve, qelizat lëvizin nëpër trup për të riparuar indin e dëmtuar. Ato ndonjëherë udhëtojnë vetëm ose në madhësi të ndryshme grupesh.
Megjithëse procesi po kuptohet gjithnjë e më shumë, dihet pak se si qelizat bashkëveprojnë gjatë udhëtimit dhe si ato kolektivisht navigojnë në mjediset komplekse që gjenden në trup. Një ekip ndërdisiplinor i fizikanëve teorikë në Institutin e Shkencës dhe Teknologjisë Austria (ISTA) dhe eksperimentues nga Universiteti i Monsit në Belgjikë tani kanë njohuri të reja.
Ashtu si eksperimentet e dinamikës sociale, ku të kuptosh bashkëveprimin e një grupi të vogël njerëzish është më e lehtë se sa të analizosh një shoqëri të tërë, shkencëtarët studiuan sjelljen udhëtuese të një grupi të vogël qelizash në mjedise të mirë-përcaktuara in vitro, pra jashtë një organizmi të gjallë, në një enë Petri të pajisur me veçori të brendshme. Bazuar në gjetjet e tyre, ata zhvilluan një kornizë të rregullave të bashkëveprimit.
Qelizat udhëtojnë në trena
David Brückner nxitohet përsëri në zyrën e tij për të marrë laptopin e tij. “Mendoj se është më mirë të tregoj disa video të eksperimenteve tona,” thotë ai dhe shtyp butonin play.
Videoja tregon një enë Petri. Mikroshtresa—korsi një-dimensionale që drejtojnë lëvizjen e qelizave—janë të shtypura në substrat përkrah një luspatë peshku të përbërë nga shumë qeliza. Qeliza të veçanta të shërimit të plagëve, të njohura si “keratocite” fillojnë të shtrihen larg nga luspatë, duke formuar degë në korsitë.
“Në fillim, qelizat qëndrojnë bashkë përmes molekulave ngjitëse në sipërfaqen e tyre—është si të mbajnë duart,” shpjegon Brückner. Papritmas, lidhja prishet dhe qelizat formojnë grupe të vogla, duke lëvizur përpara si trena përgjatë shinave.
“Gjatësia e trenit është gjithmonë e ndryshme. Ndonjëherë janë dy, ndonjëherë janë dhjetë. Varet nga kushtet fillestare.”
Eléonore Vercurysse dhe Sylvain Gabriele nga Universiteti i Monsit në Belgjikë vëzhguan këtë fenomen ndërsa hetonin keratocitet dhe veçoritë e tyre të shërimit të plagëve brenda modeleve të ndryshme gjeometrike. Për të ndihmuar në interpretimin e këtyre vëzhgimeve të çuditshme, ata iu drejtuan fizikanëve teorikë David Brückner dhe Edouard Hannezo në ISTA.
Qelizat kanë timona
“Ka një gradient brenda çdo qelize që përcakton se ku po shkon qeliza. Quhet ‘polaritet’ dhe është si timoni i qelizës,” thotë Brückner. “Qelizat komunikojnë polaritetin e tyre me qelizat fqinje, duke lejuar që ato të lëvizin në harmoni.” Por si e bëjnë këtë ka mbetur një mister i madh në fushë.
Brückner dhe Hannezo filluan të shkëmbejnë ide. Dy shkencëtarët zhvilluan një model matematik që kombinon polaritetin e një qelize, bashkëveprimet e saj dhe gjeometrinë e rrethinës së saj. Ata më pas transferuan kornizën në simulimet kompjuterike, të cilat i ndihmuan të vizualizojnë skenarë të ndryshëm.
Inspirohen në tabelë. Edouard Hannezo (prapa) dhe David Brückner (përpara) shkëmbejnë ide për ekuacione matematikore. Ata përdorin një nga shumë tabelat e zeza që gjenden në të gjithë kampusin e ISTA-s, gjë që lejon që idetë spontane të rrjedhin dhe të shkëmbehen. Kredi: ISTA
Gjëja e parë që shkencëtarët në Austri shikuan ishte shpejtësia e trenave të qelizave. Simulimi zbuloi se shpejtësia e trenave është e pavarur nga gjatësia e tyre, pavarësisht nëse përbëhen nga dy apo dhjetë qeliza.
“Imagjinoni nëse qeliza e parë bën të gjithë punën, duke tërhequr të tjerat pas saj; performanca e përgjithshme do të binte,” thotë Hannezo. “Por nuk është kështu. Brenda trenave, të gjitha qelizat janë të polarizuara në të njëjtin drejtim. Ato janë të përafruara dhe në sinkron për lëvizjen e tyre dhe lëvizin pa probleme përpara.” Me fjalë të tjera, trenat funksionojnë si një makinë me të gjitha rrotat në lëvizje në vend të një makine vetëm me rrotat e përparme.
Si hap i radhës, teoricienët shqyrtuan efektet e rritjes së gjerësisë së korsive dhe grupeve të qelizave në simulimet e tyre. Krahasuar me qelizat që lëvizin në një radhë të vetme, grupet ishin shumë më të ngadalta. Shpjegimi është mjaft i thjeshtë: sa më shumë qeliza janë bashkë, aq më shumë përplasen me njëra-tjetrën. Këto përplasje bëjnë që ato të polarizohen larg nga njëra-tjetra dhe të lëvizin në drejtime të kundërta. Qelizat nuk janë të përafruara siç duhet, gjë që ndërpret rrjedhën e lëvizjes dhe ndikon ndjeshëm në shpejtësinë e përgjithshme. Ky fenomen gjithashtu u vëzhgua në laboratorin belg (eksperimente in vitro).
Fund i mbyllur? Asnjë problem për grupet e qelizave
Nga një këndvështrim efikasiteti, duket se lëvizja në grupe nuk është ideale. Megjithatë, modeli parashikoi se gjithashtu kishte përfitimet e tij kur qelizat navigojnë përmes terrenit kompleks, siç bëjnë për shembull në trupin e njeriut. Për të testuar këtë, shkencëtarët shtuan një fund të mbyllur, si në eksperimente ashtu edhe në simulimet.
“Trenat e qelizave arrijnë shpejt në fundin e mbyllur, por e kanë të vështirë të ndryshojnë drejtim. Polarizimi i tyre është mirë i përafruar, dhe është shumë e vështirë për ta të bien dakord për të ndryshuar drejtim,” thotë Brückner. “Ndërsa në grup, disa qeliza janë tashmë të polarizuara në drejtimin tjetër, duke e bërë ndryshimin e drejtimit shumë më të lehtë.”
Trena apo grupe?
Natyrisht, lind pyetja: kur qelizat lëvizin në grupe dhe kur lëvizin në trena? Përgjigjja është se të dy skenarët vërehen në natyrë. Për shembull, disa procese zhvillimore mbështeten në grupe qelizash që lëvizin nga njëra anë në tjetrën, ndërsa të tjerat varen nga trena të vegjël qelizash që lëvizin në mënyrë të pavarur.
“Modeli ynë nuk zbatohet vetëm për një proces të vetëm. Në vend të kësaj, është një kornizë gjerësisht e aplikueshme që tregon se vendosja e qelizave në një mjedis me kufizime gjeometrike është shumë instruktive, pasi i sfidon ato dhe na lejon të deshifrojmë bashkëveprimet e tyre me njëra-tjetrën,” shton Hannezo.
Një tren i vogël i mbushur me informacione
Botimet e fundit nga grupi Hannezo sugjerojnë se komunikimi qelizor përhapet në valë—një ndërveprim midis sinjaleve biokimike, sjelljes fizike dhe lëvizjes. Modeli i ri i shkencëtarëve tani ofron një bazë fizike për këto bashkëveprime qelizë me qelizë, ndoshta duke ndihmuar në kuptimin e pamjes së madhe.
Bazuar në këtë kornizë, bashkëpunëtorët mund të thellohen më tej në lojtarët molekularë të përfshirë në këtë proces. Sipas Brückner-it, sjelljet e zbuluara nga këto trena të vogla qelizash mund të na ndihmojnë të kuptojmë lëvizjet në shkallë të gjerë, si ato që shihen në indet e tëra.
Për të kuptuar më mirë proceset themelore, për shembull, në fushat e neuroshkencës, imunologjisë ose gjenetikës, përdorimi i kafshëve në kërkime është i domosdoshëm. Asnjë metodë tjetër, si modelet in silico, nuk mund të shërbejë si një alternativë. Kafshët rriten, mbahen dhe trajtohen sipas rregulloreve të rrepta të vendeve përkatëse ku kryhen kërkimet.
Më shumë informacione: Geometry-driven migration efficiency of autonomous epithelial cell clusters, Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02532-x
Zhurnali ku u botua: Nature Physics
