Sciencemag.cz
Doporučujeme
Buňky, uspořádané podle anisotropie jejich okolí, reprezentují systém s vyšší entropií.
Proces, kterým živé buňky vytvářejí tkáň, se neřídí jen zákony biochemie, ale důležitou roli v něm sehrává i termodynamika, zjistil mezinárodní vědecký tým. Jde opět o jeden z objevů, kterým může fyzika výrazně pomoct medicíně.
Mnohobuněčné organismy – od těch nejjednodušších až po nejvyspělejší savce – obsahují tkáně a orgány, které vznikají uspořádáním velkého počtu jednotlivých buněk. Tento proces řazení je řízen několika silami. Některé z nich jsou čistě biochemické, ale řada dalších závisí na vzájemném kontaktu a dalších interakcích jednotlivých buněk s okolím. I když procesy buněčného řazení mají většinou na jednotlivé buňky zanedbatelný vliv, jako celek hrají při formování tkání zásadní roli.
Uspořádávání často probíhá jako odezva na anizotropii okolí buněk a způsobuje migraci buněk ve specifickém směru. Říká se tomu kontaktní navádění („contact guidance“). To hraje důležitou roli při růstu tkání nebo naopak při tkáňové homeostázi, kdy jsou tkáně udržovány ve stabilním stavu. Právě tyto procesy se vědci rozhodli podrobně prozkoumat, a to především z hlediska jejich praktické využitelnosti. Fyzici z Velké Británie, Holandska, Iránu a Itálie zjistili, že kontaktní navádění může být řízeno jednak biochemickými procesy a jednak procesy, v nichž hraje rozhodující roli entropie systému.
Entropie je přitom jedním z nejdůležitějších pojmů ve fyzice, teorii informace, matematice a v řadě dalších oborů. Úzce souvisí s pravděpodobností možných stavů systému a lze si jí představit jako míru neuspořádanosti systému. Pojem termodynamické entropie zavedl německý fyzik a matematik Rudolf Clausius s cílem vysvětlit, proč jsou některé procesy spontánní a jiné nikoliv. Mikroskopickou definici entropie zavedl rakouský fyzik Ludwig Boltzmann jako jeden ze základních pojmů statistické mechaniky – oboru, který sám založil.
Mezi obory, kde hraje důležitou roli entropie, se teď zařadila i medicína. Míra zastoupení jednotlivých procesů závisí na tom, jak pevně jsou buňky vázány v anizotropním prostředí. Proto zmíněný vědecký tým umístil buňky z lidského svalu (myofibroblasty) na substrát obsahující mikroskopické kanálky z glykoproteinu, který vytváří okolní mimobuněčné prostředí. To zprostředkovává interakci buněk, hraje ale také důležitou roli v adhezi buněk, v jejich růstu a migraci.
Buňky byly na substráty umístěny s takovou hustotou, aby byl vyloučen jejich vzájemný kontakt. Průměr buněk byl přibližně 160 mikrometrů a tým pozoroval jejich chování v kanálcích 50, 160, a 390 mikrometrů širokých.
Zjistilo se, že buňky v nejužších kanálcích byly vyrovnány více než ty, které byly v těch širších. V nejužších kanálcích se totiž vyskytuje kontaktní navádění: buňky musejí změnit svůj tvar a energii, aby se užším kanálkům přizpůsobily. Tento proces je řízen vnitřními biochemickými reakcemi.
Vědce překvapilo, když zjistili, že kontaktní navádění se vyskytuje i v kanálcích daleko širších, než je rozměr svalových buněk. V tomto případě je proces řízen růstem entropie. Protože entropie představuje termodynamickou tendenci systému směřovat k vyššímu stupni neuspořádanosti, je tento jev na první pohled poněkud protismyslný. Mohlo by se zdát, že vyrovnaný systém nesměřuje k maximální neuspořádanosti, ale ve skutečnosti v tomto případě je maximálně vyrovnaný systém nejméně uspořádaný (nejvíce neuspořádaný). Tento jev se dá jednoduše vysvětlit na příkladu sirek v krabičce. Pokud krabičkou zatřepete, místo aby sirky zůstaly zcela nespořádané, uspořádají se podél hrany krabičky. Analogicky buňky, uspořádané podle anisotropie jejich okolí, reprezentují systém s vyšší entropií.
Nakonec tým zkombinoval analýzu tvarů buněk a statistickou analýzu jejich fluktuací, které nejsou vázány na teplotu. Výsledný model mimo jiné předpovídá, že při růstu šířky kanálků nad určitou kritickou hodnotu nebude orientace buněk řízena vnitřními biochemickými zákony, ale entropií systému.
Studie přináší průlomový pohled na termodynamiku biologických buněk. Entropie je podle vědců klíčovým řídicím elementem uspořádávání buněk a je zásadní pro produkci a činnost živých tkání. Výsledky by mohly mít důležité aplikace v medicíně nebo tkáňovém inženýrství. Požadovaného efektu by se dosáhlo ovlivňováním tvaru a uspořádání buněk změnou geometrie okolí. Lepší porozumění kontaktnímu navádění by mohlo lékařům například pomoci předpovídat šíření nemocí, jako jsou metastázující nádory.
Vědci dosud experimenty prováděli na rovných 2D površích, teď chtějí výzkumné podmínky více přiblížit skutečnému životu. Ve spoustě případů uvnitř těla totiž buňky nerostou na rovném povrchu. Úkolem vědců teď bude porozumět tomu, jak moc účinným signálem pro řízení buněk je zakřivení a proč různé druhy buněk reagují na různé druhy povrchů odlišně.
Původní práce byla uveřejněna v Biophysical Journal.
autor: Jana Štrajblová
Převzato z Matfyz.cz.
Pozvánka: Noc vědců
27. 9. 2019
Matfyz na Přírodovědecké fakultě UK
Matfyz na Právnické fakultě UK
