I begyndelsen af udviklingen, hvordan cellerne ved at sætte den rigtige afstand mellem ribbenene, fingre og tæer? Hvordan de kommunikerer med hinanden for at danne symmetriske og gentagne mønstre, såsom zebra striber eller leopard pletter?
For første gang, UCLA forskere har genskabt muligheden for mammale celler til selv at organisere sig, danner jævnt fordelt mønstre i et reagensglas. Udgivet i jun 22, 2004 udstedelse af Proceedings of National Academy of Sciences, kan resultaterne hjælpe med at forbedre metoder til regenererende væv, kontrol fosterskader og udvikling af nye behandlinger for specifikke sygdomme.
"Ligesom en marcherende band har brug for vejledning fra en leder til at line op i formation på en fodboldbane, celler også brug for vejledning til at danne mønstre - men indtil nu har vi ikke vidste, hvordan de var at kommunikere eller modtage retning," sagde Alan Garfinkel , ph.d., første forfatter og professor i fysiologi og kardiologi på David Geffen School of Medicine på UCLA.
"Tidligere var det lidt magisk hvordan celler vidste præcist, hvor langt fra hinanden til rummet ribben eller tiger striber," siger Dr. Linda L. Demer, ledende investigator, Guthman professor i medicin og fysiologi, og næstformand for hjerte-kar-medicin på David Geffen School of Medicine på UCLA. "Vi ved nu, at det er orkestreret af specifikke proteiner produceret af celler, der spreder sig på forskellige satser og blande sig med hinanden. Disse interaktioner kan beskrives i matematiske formler diktere, hvordan celler organiserer i specifikke, jævnt fordelt mønstre."
Demer bemærker, at lignende mekanismer kan forklare, hvordan et foster skaber strukturer i jævnt fordelt mønstre i den tidlige udviklingsfase eller hvordan visse sygdomme kan udløse celler til at skabe forandringer i bestemte mønstre.
Forskere voksede stamceller fra voksent kvæg arterier og fundet, at de producerer indviklede, blonde-lignende mønstre i kultur retter. Sådanne mønstre er kendt for at være skabt i naturen ved en proces, der kaldes reaktion-diffusion opdaget af Alan Turing, matematikeren berømt for sin rolle i at bryde den nazistiske koden under Anden Verdenskrig. Han viste, at mønstre nødvendige samspil mellem en aktiverende protein, der trækker celler sammen (aktivator) og et andet protein, der stopper dem fra at komme sammen (inhibitor). Det hæmmer protein skal diffuse eller spredes hurtigere end aktivator. Resultatet skaber områder, hvor celler hober sig op adskilt af tomme pladser. Den nøjagtige mønstre afhænger af styrken og hastigheden af de to proteiner.
Den UCLA Forskerne vidste, de sandsynlige aktivator protein var BMP-2, det var produceret af celler og forårsagede celler til at samle. En af forskerne, Dr. Kristina Bostrom, havde for nylig opdaget en ny hæmmer af BMP-2, en usædvanlig lille protein kaldet MGP. Efterforskerne teoretiserede, at interferens mellem disse to proteiner var kilden til de mønstre. For at teste denne idé, samarbejdspartner Dr. Danny Petrasek fra California Institute of Technology genereret computersimulationer af de forventede interaktioner. Han forudså, at tilføjelsen af FUP for cellekulturen ville ændre mønstret fra striber til pletter. Uden at kende hans resultat, tilføjede Bostrom MGP til cellerne og fandt, at de rent faktisk er produceret pletter i stedet for striber.
"Brug den matematiske formel baseret på Turing-koncepter, vi var i stand til at genskabe den klassiske stribe eller spotte mønstre ses i hele naturen - som i en zebra har striber eller leopardens pletter," sagde Garfinkel.
Garfinkel tilføjer, at mange dele af kroppen er baseret på mønstre: Stripe mønstre bruges til at generere fingre, ribben og tæer, mens forgrening mønstre genererer skibe, lunger og nerver, og spotte mønstre producere tilrettelæggelsen af hårsækkene, ryghvirvler og tænder. Typen af strukturen dannes afhænger af typer og mængder af de proteiner involveret og celler.
For at være sikker på, at proteiner var at kontrollere de mønstre, der produceres af celler, forskerne tilføjede stoffet warfarin, som blokerer MGP. Resultatet var en dobbelt-stribet mønster, som også forudsagt af simuleringen. Dette kan hjælpe med at forklare de kendte sammenslutning af warfarin med fødselsdefekter.
"De unormale celle mønster som følge af at tilføje warfarin, kan give forskerne et indblik i, hvordan fosterskader udvikle sig," siger Garfinkel.
Det næste skridt, Garfinkel tilføjet, er at generere mere komplekse mønstre ved at justere nøgletal for de to proteiner BMP-2 og MGP. En sådan kontrol ville være nyttigt for tissue engineering arkitektur - producerer udskiftning væv i ønskede former og mønstre.
Demer bemærker også, at forskningen kan tilbyde en større forståelse af, hvordan arterie celler calcify og drej til knogler i atherosklerotisk hjertesygdom.
"Vores evne til at genskabe celle mønstre i sidste ende kan hjælpe os med at lære, hvordan man bedre styre dem, hvilket fører til nye måder at behandle visse betingelser som hjertesygdomme," sagde Demer.
http://www.ucla.edu/