Panduan Jalur Penyembuhan Seluler dalam Tubuh Manusia

Para peneliti menemukan bahwa sel-sel tertentu dalam tubuh manusia bergerak secara seri atau kelompok untuk memperbaiki jaringan, dipandu oleh fitur yang disebut polaritas.

Dilihat di bawah mikroskop, sekelompok sel perlahan-lahan bergerak maju dalam satu garis, seperti kereta api pada jalurnya. Sel menavigasi melalui lingkungan yang kompleks. Pendekatan baru yang dilakukan para peneliti yang melibatkan Institut Sains dan Teknologi Austria (ISTA) kini menunjukkan bagaimana mereka melakukan hal ini dan bagaimana mereka berinteraksi satu sama lain.

Sel Seluler

Mayoritas sel dalam tubuh manusia tidak dapat bergerak. Namun, beberapa orang tertentu mungkin pergi ke tempat berbeda. Misalnya saja dalam penyembuhan luka, sel bergerak ke seluruh tubuh untuk memperbaiki jaringan yang rusak. Mereka terkadang bepergian sendiri atau dalam kelompok berbeda. Meskipun prosesnya semakin dipahami, hanya sedikit yang diketahui tentang bagaimana sel berinteraksi saat bergerak dan bagaimana sel secara kolektif menavigasi lingkungan kompleks yang terdapat di dalam tubuh. Tim fisikawan teoretis interdisipliner di Institut Sains dan Teknologi Austria (ISTA) dan peneliti dari Universitas Mons di Belgia kini memiliki wawasan baru.

Sama seperti eksperimen dinamika sosial, di mana memahami interaksi sekelompok kecil orang lebih mudah daripada menganalisis keseluruhan masyarakat, para ilmuwan mempelajari perilaku perjalanan sekelompok kecil sel dalam lingkungan in vitro yang terdefinisi dengan baik, yaitu di luar makhluk hidup. organisme. dalam cawan Petri yang dilengkapi dengan fitur interior. Berdasarkan temuan mereka, mereka mengembangkan kerangka aturan interaksi, yang diterbitkan hari ini (19 Juni) di Fisika Alam.

Perjalanan Sel di Kereta

David Brückner bergegas kembali ke kantornya untuk mengambil laptopnya. “Menurutku lebih baik menayangkan beberapa video eksperimen kita,” ucapnya bersemangat sambil menekan tombol play.

Video menunjukkan cawan petri. Garis mikro—jalur satu dimensi yang memandu pergerakan sel—dicetak pada substrat di sebelah sisik ikan zebra yang terdiri dari banyak sel. Sel khusus penyembuhan luka, yang dikenal sebagai “keratosit” mulai meregang dari sisik, membentuk cabang ke dalam jalur. “Awalnya, sel-sel saling menempel melalui molekul perekat di permukaannya—sepertinya mereka berpegangan tangan,” jelas Brückner. Tiba-tiba, ikatan tersebut putus, dan sel-sel berkumpul menjadi kelompok-kelompok kecil, bergerak maju seperti kereta api di sepanjang rel. “Panjang kereta selalu berbeda-beda. Kadang dua, kadang sepuluh. Itu tergantung pada kondisi awal.”

Eléonore Vercurysse dan Sylvain Gabriele dari Universitas Mons di Belgia mengamati fenomena ini saat menyelidiki keratosit dan fitur penyembuhan lukanya dalam pola geometris yang berbeda. Untuk membantu menafsirkan pengamatan yang membingungkan ini, mereka menghubungi fisikawan teoretis David Brückner dan Edouard Hannezo di ISTA.

Inspirasi di papan tulis. Edouard Hannezo (belakang) dan David Brückner (depan) bertukar pikiran tentang persamaan matematika. Mereka menggunakan salah satu dari sekian banyak papan tulis yang terdapat di seluruh kampus ISTA, yang memungkinkan ide-ide spontan mengalir dan bertukar pikiran. Kredit: © ISTA

Sel Memiliki Roda Kemudi

“Ada gradien di dalam setiap sel yang menentukan arah mana sel itu bergerak. “Ini disebut 'polaritas' dan ini seperti kemudi sel itu sendiri,” kata Brückner. “Sel mengkomunikasikan polaritasnya ke sel tetangga, memungkinkan mereka bergerak secara bersamaan.” Namun cara mereka melakukannya masih menjadi teka-teki besar di lapangan.

Brückner dan Hannezo mulai bertukar pikiran. Kedua ilmuwan tersebut mengembangkan model matematika yang menggabungkan polaritas sel, interaksinya, dan geometri lingkungannya. Mereka kemudian mentransfer kerangka kerja tersebut ke dalam simulasi komputer, yang membantu mereka memvisualisasikan skenario yang berbeda.

Hal pertama yang dilihat para ilmuwan di Austria adalah kecepatan kereta sel. Simulasi mengungkapkan bahwa kecepatan kereta tidak bergantung pada panjangnya, apakah terdiri dari dua atau sepuluh sel. “Bayangkan jika sel pertama melakukan semua pekerjaan, menyeret sel-sel lain di belakangnya; kinerja secara keseluruhan akan menurun,” kata Hannezo. “Tapi bukan itu masalahnya. Di kereta, semua sel terpolarisasi dalam arah yang sama. Mereka selaras dan sinkron dalam gerakannya dan bergerak maju dengan lancar.” Dengan kata lain, kereta beroperasi seperti penggerak semua roda, bukan hanya penggerak roda depan.

Sebagai langkah selanjutnya, para ahli teori menguji efek peningkatan bandwidth dan cluster sel dalam simulasi mereka. Dibandingkan dengan sel yang bergerak dalam satu file, cluster jauh lebih lambat. Penjelasannya cukup sederhana: semakin banyak sel yang berkumpul, semakin banyak sel yang bertabrakan. Tabrakan ini menyebabkan mereka terpolarisasi menjauhi satu sama lain dan bergerak berlawanan arah. Sel-selnya tidak sejajar dengan benar, sehingga mengganggu aliran pergerakan dan secara drastis mempengaruhi kecepatan keseluruhan. Fenomena ini juga diamati di laboratorium Belgia (percobaan in vitro).

Jalan buntu? Tidak Ada Masalah untuk Cluster Sel

Dari sudut pandang efisiensi, tampaknya bergerak secara berkelompok bukanlah hal yang ideal. Namun, model tersebut memperkirakan bahwa hal ini juga memberikan manfaat ketika sel bernavigasi melalui medan yang kompleks, seperti yang terjadi pada tubuh manusia, misalnya. Untuk mengujinya, para ilmuwan menambahkan jalan buntu, baik dalam eksperimen maupun simulasi. “Rantai sel menemui jalan buntu dengan cepat, namun kesulitan untuk mengubah arah. Polarisasi mereka sangat selaras, dan sangat sulit bagi mereka untuk menyepakati perubahan,” kata Brückner. “Sementara dalam cluster, cukup banyak sel yang sudah terpolarisasi ke arah lain, sehingga mengubah arah menjadi lebih mudah.”

Kereta Api atau Cluster?

Tentu timbul pertanyaan: kapan sel bergerak berkelompok, dan kapan bergerak secara seri? Jawabannya adalah kedua skenario tersebut diamati di alam. Misalnya, beberapa proses perkembangan bergantung pada kelompok sel yang bergerak dari satu sisi ke sisi lain, sedangkan proses lainnya bergantung pada rantai kecil sel yang bergerak secara independen. “Model kami tidak hanya berlaku pada satu proses saja. “Sebaliknya, ini adalah kerangka kerja yang dapat diterapkan secara luas yang menunjukkan bahwa menempatkan sel di lingkungan dengan batasan geometris adalah hal yang bermanfaat, karena menantang mereka dan memungkinkan kita untuk menguraikan interaksi mereka satu sama lain,” tambah Hannezo.

Kereta Kecil Penuh Informasi

Publikasi terbaru yang dilakukan oleh kelompok Hannezo menunjukkan bahwa komunikasi sel berjalan dalam gelombang—interaksi antara sinyal biokimia, perilaku fisik, dan pergerakan. Sebuah model baru yang dikembangkan oleh para ilmuwan kini memberikan dasar fisik untuk interaksi sel-ke-sel ini, yang dapat membantu dalam memahami gambaran besarnya. Berdasarkan kerangka kerja ini, kolaborator dapat mempelajari lebih lanjut tentang pemain molekuler yang terlibat dalam proses ini. Menurut Brückner, perilaku yang ditunjukkan oleh kumpulan sel kecil ini dapat membantu kita memahami pergerakan berskala besar, seperti yang terlihat di seluruh jaringan.

Referensi: “Efisiensi migrasi kelompok sel epitel otonom berbasis geometri” 19 Juni 2024, Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-024-02532-x

Informasi tentang Studi Hewan

Untuk lebih memahami proses mendasar, misalnya di bidang ilmu saraf, imunologi, atau genetika, diperlukan pemanfaatan hewan dalam penelitian. Tidak ada metode lain seperti in silico modeling yang dapat menjadi alternatif. Hewan-hewan tersebut dipelihara, dirawat dan dirawat sesuai dengan peraturan ketat masing-masing negara, menurut penelitian yang dilakukan (Belgia).