O nouă metodă de măsurare a apei intracelulare în sistemele biologice
Într-un interviu, News Medical-Life Sciences discută cu Teemu Miettinen despre cercetările referitoare la măsurarea apei intracelulare și impactul acesteia asupra funcției celulare și bolilor.
Teemu Miettinen este un biolog celular la Massachusetts Institute of Technology. Acesta a realizat studii de licență și masterat în Finlanda, urmate de un doctorat în Scoția, concentrat pe reglarea dimensiunii celulare. De peste un deceniu, Miettinen își desfășoară activitatea la MIT, unde investighează modul în care celulele își reglează dimensiunea, creșterea și compoziția.
„Sunt biolog celular și biochimist, însă cercetarea mea se axează pe biologia celulară fundamentală și pe dezvoltarea unor metode noi de măsurare a proprietăților biofizice ale celulelor”, afirmă Miettinen.
Una dintre întrebările fundamentale care îi ghidează cercetarea este importanța dimensiunii celulare. „Celulele din corpul uman pot varia enorm în dimensiuni, acoperind până la șapte ordine de magnitudine, iar există variabilitate chiar și în cadrul unui tip celular dat. Totuși, nu înțelegem pe deplin cum această variație influențează funcția celulară, cum ar fi capacitatea de a crește”, subliniază el.
Miettinen continuă: „Ceea ce înțelegem mai bine este latura moleculară, în special faptul că concentrația moleculelor din interiorul celulelor este crucială pentru procesele biologice. Aceste concentrații se schimbă uneori odată cu dimensiunea celulei. Aici devine relevantă compoziția celulară, iar o întrebare fundamentală este: câtă apă este de fapt în interiorul unei celule și cum este reglată această apă?”
Conținutul de apă intracelular este esențial pentru funcția celulară, deoarece determină direct concentrația fiecărei molecule dintr-o celulă. „Deoarece reacțiile biochimice depind de concentrațiile enzimelor și substratelor, modificarea concentrației de apă alterează ratele reacțiilor din întreaga celulă”, afirmă Miettinen.
El adaugă: „Pe măsură ce conținutul de apă scade, concentrațiile cresc, ceea ce poate accelera reacțiile până la un punct. Totuși, există și un efect opus. Pe măsură ce celula devine mai aglomerată cu molecule, difuzia încetinește, în special pentru moleculele mai mari și complexele macromoleculare.”
„Acest lucru creează un echilibru. Prea puțină apă duce la aglomerare și la o difuzie mai lentă, în timp ce prea multă apă diluează moleculele și reduce eficiența reacțiilor. Prin urmare, fiecare proces celular poate avea propriul său conținut optim de apă, în funcție de sensibilitatea sa la concentrație și difuzie.”
În ceea ce privește provocările istorice care au limitat măsurarea conținutului de apă celular, Miettinen explică: „Metodele tradiționale de măsurare a conținutului de apă nu sunt bine adaptate sistemelor biologice. De exemplu, cântărirea și uscarea probelor necesită cantități mari de material și distruge probele.”
„Alte metode, cum ar fi imagistica bazată pe spectroscopie Raman, pot detecta apă, dar au dificultăți în a distinge între apa din interiorul și din exteriorul celulei, mai ales că celulele sunt de obicei înconjurate de medii acvatice.”
Miettinen și echipa sa au dezvoltat o metodă bazată pe măsurarea masei buiantes a celulelor în soluții diferite, implicând cântărirea unei probe de mai multe ori în fluide diferite, inclusiv unul care conține apă grea, cunoscută și sub denumirea de oxigen deuterat.
„Folosim un sistem de sensing inertial. Practic, conducem proba printr-un tub metalic mic care vibrează. Pe măsură ce tubul vibrează, are o frecvență de rezonanță naturală, iar când o celulă sau un organoid trece prin el, chiar și o mică creștere în masă provoacă o schimbare măsurabilă în acea frecvență”, explică el.
„Repetând măsurătorile în soluții diferite, putem calcula conținutul de apă al probei în termeni absoluți și relativi (volum/volum), precum și alte proprietăți fizice, cum ar fi masa uscată.”
Miettinen subliniază că această metodă nu distruge proba și permite studierea unor sisteme biologice mai complexe și fiziologic relevante, cum ar fi sferoizii tumorali și organoizii.
În ceea ce privește accesibilitatea tehnicii, el adaugă: „Cercetările anterioare referitoare la conținutul de apă intracelular s-au bazat pe senzori de masă pentru celule individuale, care sunt extrem de puternici, dar necesită componente personalizate și expertiză semnificativă pentru a fi utilizate. Cu această nouă abordare, am dorit să ne îndepărtăm de aceasta.”
„Ideea de bază a fost să construim ceva mult mai accesibil în ceea ce privește hardware-ul. În principiu, toate componentele pe care le folosim sunt disponibile comercial. Le poți procura de la furnizori standard, adesea chiar de la producători din afara sectorului științific specializat.”
„Desigur, este nevoie de cunoștințe de inginerie pentru a asambla și optimiza sistemul corect, în special pentru a controla vibrația și a asigura precizia măsurătorii. Dar nu există nimic fundamental personalizat sau prohibitiv de costisitor în hardware”, spune Miettinen.
În privința relației dintre conținutul de apă intracelular și biologia cancerului, Miettinen afirmă: „Fiecare reacție din celulă are probabil propriul său conținut optim de apă. Știm deja dintr-o serie de studii că, dacă schimbi conținutul de apă al unei celule, de exemplu, prin ajustarea osmolarității externe, poți afecta direct cât de repede crește acea celulă.”
„De exemplu, poți scoate apă din celulă sau poți permite să intre mai multă apă, iar aceasta va schimba rata de creștere. Deși multe dintre aceste lucrări nu au fost realizate specific în modele de cancer, aceleași principii se aplică în biologie, chiar și în sisteme foarte simple, cum ar fi bacteriile.”
Miettinen observă: „Astfel, o ipoteză destul de simplă este că celulele canceroase au adoptat un conținut diferit de apă intracelular pentru a susține ratele lor ridicate de creștere.”
„Observăm ceva similar și în sistemul imunitar. De exemplu, celulele T care nu sunt în creștere activă au tendința de a avea un conținut relativ scăzut de apă, în jur de 60%. Însă când devin activate și încep să prolifereze, conținutul lor de apă crește substanțial, ajungând până la 80%.”
„Așadar, există o legătură clară între conținutul de apă și creștere în mai multe sisteme. Ne-am aștepta ca celulele canceroase să urmeze aceeași relație.”
În ceea ce privește alte domenii care ar putea beneficia de această cercetare, Miettinen menționează: „În prezent, ne concentrăm destul de mult pe sistemul imunitar, deoarece este un alt domeniu în care știm că reglarea conținutului de apă joacă un rol important în creștere și funcție.”
„Dar, mai pe larg, aproape orice sistem biologic poate fi relevant în ceea ce privește conținutul de apă. Ceea ce este interesant
