Onlarca yıldır bilim insanları hücre hareketini çalışmak için petri kapları kullanıyorlar. Ancak bu klasik doku kültürü araçları sadece iki boyutlu harekete izin veriyor. Bu durum, insan vücudundaki hücrelerin gerçekleştirdiği üç boyutlu hareketten oldukça farklıdır.
Yapılan yeni araştırmalarla Amerikalı bilim insanları deri gibi belirli dokulardaki yapılara benzer biçimde üç boyutlu matriks içinde hücrelerin nasıl hareket ettiklerine yönelik yeni bir teknik kullandılar. Sonuçta, tamamen yeni bir çeşit hücre hareketi keşfedildi. Bu yeni harekette, hücre çekirdeği motordaki bir piston gibi hücreleri matriks boyunca ileriye doğru sürüklemeye yardım ederek hücrenin plazma membranını itici bir basınç yaratıyor. Diğer bir deyişle, hücre çekirdeği fiziksel olarak hücre sitoplazmasını bölümleyerek hidrostatik basıncı üç boyutlu hücre hareketini sağlamak amacıyla arttırıyor.
Araştırma ekibi üç boyutlu hareketi gözlemlemek amacıyla bağ dokuda en sık bulunan hücre çeşidi olan fibroblastlarla çalıştı. Fibroblastlar deride, bağırsağın iç kısmında ve vücuttaki diğer dokularda bulunan kompleks bir matriksi birbirine bağlayan kollajen ve fibronektini içeren proteinleri üretirler.
Araştırmacılar bu fibroblasttan yaratılmış matriksi kullanarak hücrelerin üç boyutlu bir yapıda nasıl hareket ettiklerini test ettiler. Matriks çapraz bağlarla bağlıydı yani hücrelerin hareketi boyunca eğilip bükülmeye karşı dayanıklıydı.
Araştırmacılar daha önceki hücre hareketleriyle karakteristik olmayan yeni bir çeşit hücre hareketini gösterdiler. Bu videoda, üç boyutlu olarak hücre dışı matriksin içindeki bir hücredeki vimentin hücre iskeletinin (yeşil) ileri doğru yüksek basınçlı bir çıkıntı yaratmak için çekirdeği (kırmızı) çekmesi görülüyor. Aslında 30 dakika olan bu video, 5 saniyelik olarak hızlandırılmıştır.
İki boyutlu yüzeyler üzerinde fibroblastlarla yapılan çalışmalar, aktin proteinlerin polimerizasyonu sonucunda meydana gelen fiberlerin hücre membranını ileri doğru itmesiyle “lamellipodia” adlı geçici hücre çıkıntıları yaratılmasını gösterdiler. Ancak, 2012 yılında üç boyutlu matrikse yerleştirilen fibroblastların “lobopodia” adı verilen kör çıkıntıları kullanarak göç için farklı bir hareket stratejisini benimsedikleri gösterildi.
Araştırmacıların bilmedikleri şey ise bu lobopodiaların nasıl oluştuğuydu. Olayın artan hücre içi basınçtan kaynaklandığından şüphelenen araştırma ekibi hücre içindeki sıvının hidrostatik basıncını karmaşık mikro elektrotlar kullanarak ölçtüler. Üç boyutlu hücre dışı matriks içinde hareket eden hücrelerdeki basıncın, iki boyutlu yüzeyde hareket edenlere veya fibroblasttan köken alan matriksin aksine çapraz bağlar içermeyen üç boyutlu matrikse kıyasla önemli ölçüde yüksek olduğunu buldular.
Hücre içindeki basıncın dağılımı, üç boyutlu matriks içinde hareket eden hücrenin çekirdeğinin önünde ve arkasında ölçüldü. Lobopodia kullanarak hareket eden hücreler çekirdeğin önünde artmış basınç sergilerken, çekirdeğin arkasında herhangi bir artış olmaması hücrenin ileri doğru hareketi için enerji meydana getiriyordu. Canlı hücre konfokal mikroskobu kullanılarak hücre çekirdeğinin düşük ve yüksek basınç bölümleri yaratılması için hücreyi ileri hareket ettirebilmesine olanak sağlandığı gözlemlendi.
Çekirdeğe bağlı aktin filamentlerinin çekirdeği hücrenin önüne doğru çektiğini bulan araştırmacılar, bu hareketin hücredeki basıncı meydana getirdiğini keşfettiler. Ayrıca çekirdek hareketinden sorumlu olan ctomyosin, vimentin ve nesprin gibi proteinleri de içeren yapıları belirlediler.
Bu göç olayı sadece üç boyutlu hücrelerden yaratılmış matrikste gözlemlendiği diğer ortamlarda gözlemlenmediği için araştırmacılar hücrelerin fiziksel ortamlarını algılayarak hangi hücre hareketini kullanacaklarını belirlediklerini düşünüyorlar.
Bu çeşit bir hücre göçünün vücudun diğer dokularında genel olarak görülebileceğini söyleyen bilim insanları diz kıkırdağından alınan kondrositleri ve bağırsak dokusundan alınan miyofibroblastların matrikse yerleştirildikten sonra lobopodia aracılı bu aynı tip hareketi kullandıklarını keşfettiler.
Bu keşif, kanser gibi hastalıkların iyi anlaşılması için yeni uygulamalar barındırmaktadır çünkü kanserli hücreler normal hücrelerden daha farklı yollarla hareket etmeye meyillidirler. Bu sayede sadece kanserli hücreleri hedef alıp normal hücrelere zarar vermeyecek tedaviler geliştirilebilir.
Önemli olarak, bu bulgular biyofilmler gibi bir hücre dışı matriksle çevrili veya ağ içinde hücrelerin olduğu çoğu insan enfeksiyöz hastalıklarla ilişkili başka biyolojik sistemlerle geniş olarak bağlantılıdır.
Bu çalışma, matriksin fiziksel yapısının biyolojik fonksiyonları yöneten hücresel özelliklerin nasıl etkilenebileceğini göstermektedir. Şu anda bu büyüleyici prensipler daha detaylı olarak araştırılarak biyofilm matriksinin bakteriyel virülansı nasıl ayarlayarak diş çürükleri gibi ağız yollu hastalıklara yol açtığı anlaşılmaya çalışılıyor.