خلايا الدم كسباح مع تسريحة شعر القنفذ

تساعد المحاكاة الحاسوبية على فهم كيفية تمسك الخلايا بالجدار

يظهر هنا نموذج الكمبيوتر لالتصاق الخلايا في التدفق الهيدروديناميكي. يتكون من كرة ذات بقع لاصقة موزعة عشوائيًا وركيزة مع الشركاء التكميلي © MPI for Colloids and Interfaces
قراءة بصوت عال

تلتصق خلايا الدم البيضاء وخلايا الدم الحمراء المصابة بالملاريا في الأوعية الدموية باستخدام استراتيجية خاصة: "تسريحة شعر القنفذ" المصنوعة من مناطق لاصقة خاصة تساعدهم على السيطرة عليها. كما اكتشف العلماء الآن بمساعدة عمليات المحاكاة الحاسوبية المعقدة ، ليس عدد أو حجم هذه المناطق اللاصقة هو العامل الحاسم ، بل إلى أي مدى يخرجون عن سطح الخلية. تقرير الباحثين في مجلة Physical Review Letters.

الدم هو وسيلة النقل العالمية لأنواع مختلفة من الخلايا في الجسم. يتم تحديد حركتهم بواسطة القوى الهيدروديناميكية. ثم "ترسو" الخلايا على جدار الوعاء الدموي للنسيج المستهدف باستخدام جزيئات التصاق خاصة ، تسمى أيضًا المستقبلات ، والتي تتراكم في كثير من الحالات على سطح الخلية في مناطق لاصقة بحجم النانومتر. تعتمد عملية التعلق على مبدأ قفل المفاتيح ، أي أن جزيء التصاق معين عادةً ما يربط فقط شركاء محددين للغاية. هذا يضمن أن الخلايا تتعثر فقط حيث يجب أن تؤدي وظيفتها البيولوجية.

هذه العمليات ذات أهمية طبية عالية ؛ ترتبط خلايا الدم الحمراء المصابة بالملاريا بجدران الأوعية لتفادي تدميرها في الطحال ، وترسى خلايا الدم البيضاء على جدران الوعاء أثناء دورياتها لتحديد مواقع الأجسام الغريبة في النسيج المجاور. تشمل "الخلايا اللاصقة المهاجرة" أيضًا الخلايا الجذعية التي تنتقل من نخاع العظام إلى الأنسجة المستهدفة ، وكذلك الخلايا السرطانية التي تنتشر في الجسم.

عصا بقعة تسعى شريك

لفهم هذه العمليات بشكل أفضل ، يجب أن يفهم المرء بالتفصيل تفاعل الديناميكا المائية والترابط الجزيئي للبقع اللاصقة. طور العلماء من معهد ماكس بلانك للغرويات والواجهات في بوتسدام وجامعة هايدلبرغ نموذجًا حاسوبيًا لهذا الغرض يدرس بشكل منهجي كيف تؤثر كثافة وحجم ومستوى تراكم المستقبلات على التصاقها. في الملايين من تجارب الكمبيوتر ، حدد الباحثون المدة التي يستغرقها هؤلاء الزناة للعثور على الثعبان على الأنسجة المستهدفة ، في حين أن مجرى السوائل يتحرك الخلية وفقًا لقوانين الديناميكا المائية. هذه الحسابات غالية الثمن للغاية لأنها يجب أن تأخذ بعين الاعتبار مئات المواقع لكل خلية.

في المحاكاة الأولى ، التي درست تأثير معدل التدفق على الالتصاق ، أصبح من الواضح أنه كلما كان التدفق السائل أسرع ، كلما تم العثور على شركاء الربط ، حيث يمكن للخلية مسح مساحة أكبر. بعد ذلك ، قام الباحثون بتنويع كثافة التصحيح ووجدوا أنه بعد عتبة بضع مئات من مناطق المستقبلات لكل خلية ، لم يعد هناك تسارع إضافي في تكوين الرابطة ، لأنه منذ ذلك الحين ، يتفاعل نصف قطر فعل فعل البقع الناتج عن الحركة العشوائية الحرارية. وبالمثل ، فإن حجم المناطق اللزجة ، والذي يبدو أنه يلعب دورًا بسيطًا فقط في كفاءة الربط. عرض

عالية حاسمة

ومع ذلك ، إذا تم تغيير الارتفاع الذي تبرز به البقع اللاصقة وراء غشاء الخلية ، يتم الحصول على نتيجة مفاجئة: حتى الزيادات الصغيرة تسبب ارتباطًا أسرع بكثير. تستخدم خلايا الدم البيضاء هذا التأثير من خلال تغطية نفسها بمئات من أنواع النشويات ، التي تسمى "microvilli" ، والتي تبرز حوالي 350 نانومتر عبر سطح الخلية ، أي ما يقرب من أربعة بالمائة من قطر الخلية. تستخدم خلايا الدم الحمراء المصابة بالملاريا أيضًا استراتيجية تصفيفة الشعر للقنفذ. على سطحه 20 نانومتر عالية "براعم".

يشك العلماء في أن عمليات المحاكاة الخاصة بهم قد كشفت عن مبدأ تصميم بيولوجي شائع يحدث أيضًا في العلاقات الهيدروديناميكية الأخرى - على سبيل المثال ، البكتيريا التي تتراكم في أجهزة التدفق الطبي مثل القسطرة أو غسيل الكلى. سيسمح البرنامج الذي تم تطويره في المستقبل بالتحقيق في مثل هذه المواقف بشكل أكثر دقة من ذي قبل ، ويمثل خطوة أخرى على طريق البيولوجيا "المحسوبة".

(MPG ، 24.10.2006 - NPO)