Человеческие тела имеют некоторые встроенные системы, чтобы заботиться о себе. Клетки, которые выстилают наши легкие, нос, мозг и репродуктивную систему, имеют реснички, крошечные, похожие на волосы структуры, предназначенные для удаления жидкостей, клеток и микробов, чтобы оставаться здоровыми. Но механизмы их движения изучены недостаточно.
Группа исследователей из Инженерной школы Маккелви и Медицинской школы Вашингтонского университета в Сент-Луисе. Луи хотел определить, как длина влияет на механическую эффективность биения ресничек. Они обнаружили, что большинство механических показателей, включая силу, крутящий момент и мощность, увеличивались пропорционально длине ресничек, но с точки зрения эффективности существовала «золотая середина». Полученные данные дают представление о ресничках у людей и о том, как дефекты приводят к заболеваниям, таким как первичная цилиарная дискинезия, которая связана с хроническими респираторными инфекциями, изменениями оси право-лево и пороками сердца. Результаты будут опубликованы в выпуске журнала Biophysical Journal от 9 апреля.
Исследование возглавил Матье Боттье, научный сотрудник с докторской степенью в лаборатории Филипа Бейли, профессора машиностроения Lilyan & E. Lisle Hughes и заведующего кафедрой машиностроения и материаловедения; и лаборатория Сьюзан К. Датчер, профессора генетики, клеточной биологии и физиологии Медицинской школы. Исследователи использовали высокоскоростную видеомикроскопию для анализа модели ресничек и определения их механических показателей. Проанализировав почти 400 видеороликов, команда обнаружила, что наиболее эффективное биение ресничек происходит при их естественной длине 10-12 микрон, или примерно одной пятой ширины человеческого волоса.
«Чего мы не ожидали, так это того, что короткие реснички не будут периодическими», - сказал Боттье. «Все реснички двигаются, но мы не находим реального ритма биения - ничего не синхронизировано - и это было нашим первым открытием».
Команда использовала Chlamydomonas reinhardtii, одноклеточную зеленую водоросль, которая обычно плавает с помощью двух движущихся хвостов и часто используется в качестве модели ресничек млекопитающих. Боттье и Кайл Томас, старший студент бакалавриата, специализирующийся в области биомедицинской инженерии, использовали мутанта только с одной ресничкой, которая вращалась на месте, что позволяло записывать видео дольше. Удалили ресничку, потом зафиксировали отрастание на видео. Ресничке потребовалось около 90 минут, чтобы вернуться к своей нормальной длине, и хотя ее форма волны немного отличалась от стандартной формы реснички, ее основные характеристики были схожими.
«Мы хотели увидеть биение реснички, что мы и сделали с видео», - сказал Боттье. «Затем мы спросили, как мы могли бы описать это, и лучше всего было посмотреть на среднее биение. Мы записали пять или шесть циклов биения, которые периодически повторяются, и из этих пяти или шести мы можем реконструировать одно среднее, которое уберет возможные выбросы."
Биение реснички происходит через серию изгибов, которые начинаются у ее основания и доходят до кончика. Команда обнаружила, что периодическое биение начинается, когда реснички становятся длиннее двух-четырех микрон, а это означает, что для биения ресничек необходима критическая длина. По словам Боттье, в предыдущих исследованиях ученые не изучали реснички короче пяти или шести микрон. Еще одно новое наблюдение заключается в том, что частота биений в периодически бьющихся ресничках вполне постоянна в пределах нормального диапазона длины реснички, хотя она немного уменьшается по мере увеличения длины от 4 микрон до 12 микрон, сказал Бейли.
Эта работа может помочь понять человеческие мутации, которые делают реснички короткими, и то, как короткие реснички повлияют на результат пациента, сказал Датчер.
Томас сказал, что исследование позволяет лучше понять, как работают реснички и что вызывает колебания.
Существует множество различных моделей, объясняющих, что вызывает этот паттерн изгиба, поэтому это исследование помогло узнать, какие модели более точны, а какие могут иметь неточности, чтобы мы могли понять, когда имеет место дисфункция ресничек, что вызывает это, потому что это может вызвать некоторые разговоры о том, как мы относимся к этому», - сказал Томас.