השראה על הלוח. אדוארד האנזו (מאחור) ודיוויד ברוקנר (מקדימה) מעבירים סיעור מוחות במשוואות מתמטיות. הם משתמשים באחד מהלוחות הרבים שנמצאים בכל קמפוס ISTA, מה שמאפשר לזרום רעיונות ספונטניים ולהחליף אותם. קרדיט: © ISTA
חוקרים גילו שתאים ספציפיים בגוף האדם נעים ברכבות או באשכולות כדי לתקן רקמות, מונחים על ידי תכונה הנקראת קוטביות.
במבט מתחת למיקרוסקופ, קבוצת תאים נעה לאט קדימה בשורה, כמו רכבת על הפסים. התאים מנווטים בסביבות מורכבות. גישה חדשה של חוקרים המערבת את המכון למדע וטכנולוגיה אוסטריה (ISTA) מראה כעת כיצד הם עושים זאת וכיצד הם מקיימים אינטראקציה זה עם זה.
תאים בתנועה
רוב התאים בגוף האדם אינם יכולים לזוז. עם זאת, כמה ספציפיים יכולים ללכת למקומות שונים. לדוגמה, בריפוי פצעים, תאים נעים בגוף כדי לתקן רקמה פגומה. לפעמים הם נוסעים לבד או בגדלים שונים של קבוצות. למרות שהתהליך מובן יותר ויותר, מעט ידוע על האופן שבו תאים מתקשרים בזמן נסיעה וכיצד הם מנווטים ביחד בסביבות המורכבות שנמצאות בגוף. לצוות בינתחומי של פיזיקאים תיאורטיים במכון למדע וטכנולוגיה אוסטריה (ISTA) וניסויים מאוניברסיטת מונס בבלגיה יש כעת תובנות חדשות.
בדומה לניסויים בדינמיקה חברתית, שבהם קל יותר להבין את האינטראקציות של קבוצה קטנה של אנשים מאשר לנתח חברה שלמה, המדענים חקרו את התנהגות הנסיעה של קבוצה קטנה של תאים בסביבה מוגדרת היטב במבחנה, כלומר מחוץ לאורגניזם חי, בצלחת פטרי מצוידת במאפיינים פנימיים. על סמך ממצאיהם, הם פיתחו מסגרת של כללי אינטראקציה, המתפרסמת היום (19 ביוני) ב פיזיקת הטבע.
תמונות של מסילת הרכבת התא. תאים מתרחקים מקשקשת דג (משמאל) לנתיבים מלאכותיים (אדומים) ויוצרים רכבות (באמצע) בגדלים שונים (מימין). קרדיט: © Vercurysse, Brückner et al./Natur Physics
תאים נוסעים ברכבות
דיוויד ברוקנר ממהר לחזור למשרדו כדי לתפוס את המחשב הנייד שלו. "אני חושב שעדיף להראות כמה סרטונים של הניסויים שלנו", הוא אומר בהתרגשות ולוחץ על play.
הסרטון מציג צלחת פטרי. מיקרו-פסים – פסים חד-ממדיים המנחים את תנועת התאים – מודפסים על המצע לצד קנה המידה של דג הזברה המורכב מתאים רבים. תאים מיוחדים לריפוי פצעים, הידועים בשם "קרטיציטים" מתחילים להימתח מהסקאלה, ויוצרים ענפים לתוך הנתיבים. "בהתחלה, תאים נדבקים זה לזה דרך מולקולות דבק על פני השטח שלהם – זה כאילו הם מחזיקים ידיים", מסביר ברוקנר. לפתע, הקשר מתנתק, והתאים מתאספים לקבוצות זעירות, נעות קדימה כמו רכבות לאורך פסים. "אורך הרכבת תמיד שונה. לפעמים זה שתיים, לפעמים זה עשר. זה תלוי בתנאים ההתחלתיים".
אלונורה ורקוריסה וסילבן גבריאל מאוניברסיטת מונס בבלגיה צפו בתופעה זו תוך כדי חקירת קרטוציטים ותכונות ריפוי הפצעים שלהם בתוך דפוסים גיאומטריים שונים. כדי לעזור לפרש את התצפיות התמוהות הללו, הם פנו לפיזיקאים התיאורטיים דיוויד ברוקנר ואדוארד האנזו ב-ISTA.
לתאים יש הגה
"יש שיפוע בתוך כל תא שקובע לאן התא הולך. זה נקרא 'קוטביות' וזה כמו גלגל ההגה של התא עצמו", אומר ברוקנר. "תאים מעבירים את הקוטביות שלהם לתאים שכנים, ומאפשרים להם לנוע ביחד." אבל איך הם עושים זאת נותרה חידה גדולה בשטח.
ברוקנר והאנזו החלו בסיעור מוחות. שני המדענים פיתחו מודל מתמטי המשלב את הקוטביות של התא, האינטראקציות שלהם והגיאומטריה של סביבתם. לאחר מכן הם העבירו את המסגרת לסימולציות ממוחשבות, שעזרו להם לדמיין תרחישים שונים.
הדבר הראשון שהמדענים באוסטריה הסתכלו עליו היה המהירות של רכבות התא. ההדמיה העלתה כי מהירות הרכבות אינה תלויה באורכן, בין אם הן מורכבות משני תאים או מעשרה תאים. "תאר לעצמך אם התא הראשון עשה את כל העבודה, גורר אחריו את האחרים; הביצועים הכוללים ירדו", אומר האנזו. "אבל זה לא המקרה. בתוך הרכבות, כל התאים מקוטבים באותו כיוון. הם מיושרים ומסונכרנים לגבי התנועה שלהם ומתקדמים בצורה חלקה". במילים אחרות, הרכבות פועלות כמו הנעה לכל הגלגלים ולא רק הנעה קדמית.
כשלב הבא, בחנו התיאורטיקנים את ההשפעות של הגדלת רוחב הנתיבים וצבירי התאים בהדמיות שלהם. בהשוואה לתאים שנעו בקובץ בודד, האשכולות היו הרבה יותר איטיים. ההסבר די פשוט: ככל שיותר תאים מתקבצים יחד, כך הם נתקלים זה בזה. התנגשויות אלו גורמות להם להתרחק אחד מהשני ולנוע בכיוונים מנוגדים. התאים אינם מיושרים כראוי, מה שמשבש את זרימת התנועה ומשפיע באופן דרסטי על המהירות הכללית. תופעה זו נצפתה גם במעבדה הבלגית (ניסויים במבחנה).
מבוי סתום? אין בעיה עבור אשכולות תאים
מנקודת מבט של יעילות, זה נשמע כאילו תנועה באשכולות אינה אידיאלית. עם זאת, המודל חזה שיש לו גם את היתרונות שלו כאשר תאים מנווטים בשטח מורכב, כפי שהם עושים, למשל, בגוף האדם. כדי לבדוק זאת, הוסיפו המדענים מבוי סתום, הן בניסויים והן בסימולציות. "רכבות של תאים מגיעות למבוי סתום במהירות, אבל נאבקות לשנות כיוון. הקיטוב שלהם מיושר היטב, וקשה להם מאוד להסכים על החלפה", אומר ברוקנר. "בעוד שבאשכול, לא מעט תאים כבר מקוטבים בכיוון השני, מה שמקל על שינוי הכיוון".
רכבות או אשכולות?
מטבע הדברים נשאלת השאלה: מתי תאים נעים באשכולות, ומתי הם נעים ברכבות? התשובה היא ששני התרחישים נצפים בטבע. לדוגמה, תהליכי התפתחות מסוימים מסתמכים על צבירי תאים הנעים מצד אחד לצד השני, בעוד שאחרים תלויים ברכבות קטנות של תאים הנעות באופן עצמאי. "המודל שלנו לא חל רק על תהליך בודד. במקום זאת, זוהי מסגרת ישימה רחבה המראה כי הצבת תאים בסביבה עם אילוצים גיאומטריים היא מלמדת ביותר, מכיוון שהיא מאתגרת אותם ומאפשרת לנו לפענח את האינטראקציות שלהם זה עם זה", מוסיף הנזו.
רכבת קטנה עמוסה במידע
פרסומים אחרונים של קבוצת Hannezo מציעים שתקשורת תאים מתפשטת בגלים – משחק גומלין בין אותות ביוכימיים, התנהגות פיזית ותנועה. המודל החדש של המדענים מספק כעת בסיס פיזי לאינטראקציות אלו בין תא לתא, ואולי מסייע בהבנת התמונה הגדולה. בהתבסס על מסגרת זו, משתפי הפעולה יכולים להעמיק בשחקנים המולקולריים המעורבים בתהליך זה. לדברי ברוקנר, ההתנהגויות שחושפות רכבות התאים הקטנים הללו יכולות לעזור לנו להבין תנועות בקנה מידה גדול, כמו אלו שנראות ברקמות שלמות.
מידע על מחקרים בבעלי חיים
על מנת להבין טוב יותר תהליכים בסיסיים, למשל, בתחומי מדעי המוח, אימונולוגיה או גנטיקה, השימוש בבעלי חיים במחקר הוא הכרחי. שום שיטות אחרות, כמו בדגמי סיליקו, לא יכולות לשמש חלופה. החיות גדלות, מוחזקות ומטופלות בהתאם לתקנות המחמירות של המדינות המתאימות, המחקר נערך (בלגיה).
