Da bi preživeli, organizmi moraju da kontrolišu pritisak u sebi, od nivoa jedne ćelije do tkiva i organa. Merenje ovih pritisaka u živim ćelijama i tkivima u fiziološkim uslovima je izazov.
U istraživanju koje ima svoje poreklo na UC Santa Barbara, naučnici sada na Klasteru izvrsnosti fizike života (PoL) na Tehničkom univerzitetu u Drezdenu (TU Drezden), Nemačka, izveštavaju u časopisu Nature Communications o novoj tehnici za „vizuelizaciju“ ovi pritisci kako se organizmi razvijaju. Ova merenja mogu pomoći da se razume kako ćelije i tkiva preživljavaju pod pritiskom i otkriju kako problemi u regulisanju pritisaka dovode do bolesti.
Kada se molekuli rastvoreni u vodi razdvoje u različite odeljke, voda ima tendenciju da teče iz jednog odeljka u drugi kako bi uravnotežila svoje koncentracije, proces poznat kao osmoza. Ako neki molekuli ne mogu da pređu membranu koja ih razdvaja, dolazi do neravnoteže pritiska – osmotskog pritiska – između odeljaka.
Ovaj princip je osnova za mnoge tehničke primene, kao što je desalinizacija morske vode ili razvoj hidratantnih krema. Ispostavilo se da je na listi i održavanje organizma u zdravom funkcionisanju.
Naše ćelije neprestano pomeraju molekule unutra i van kako bi sprečile da ih nagomilani pritisak smrvi. Da bi to uradili, koriste molekularne pumpe koje im omogućavaju da drže pritisak pod kontrolom. Ovaj osmotski pritisak utiče na mnoge aspekte života ćelija i čak određuje njihovu veličinu.
Kada se ćelije udruže da bi izgradile naša tkiva i organe, i one se suočavaju sa problemom pritiska: naš vaskularni sistem, ili organi kao što su pankreas ili jetra, sadrže šupljine ispunjene tečnošću poznate kao lumeni koje su neophodne za njihovu funkciju. Ako ćelije ne uspeju da kontrolišu osmotski pritisak, ovi lumeni mogu da kolabiraju ili eksplodiraju, sa potencijalno katastrofalnim posledicama po organ.
Da bismo razumeli kako ćelije regulišu pritisak u ovim tkivima, ili kako to ne uspevaju u bolesti, neophodno je izmeriti i „videti“ osmotski pritisak u živim tkivima. Ali, nažalost, to nije bilo moguće.
Do sada.
Predvođeni bivšim profesorom UCSB Otgerom Campasom, koji sada drži katedru za dinamiku tkiva na TU Drezdenu i trenutno je generalni direktor PoL-a, naučnici su osmislili novu tehniku za merenje osmotskog pritiska u živim ćelijama i tkivima korišćenjem specijalnih kapljica poznatih kao dvostruke emulzije.
Za ovaj senzor pritiska, uneli su kapljicu vode u kapljicu ulja koja omogućava da voda prolazi. Kada su ove „dvostruke kapljice“ bile izložene rastvorima soli različitih koncentracija, voda je ulazila i izlazila iz unutrašnje kapljice vode, menjajući njenu zapreminu, sve dok se pritisci nisu izjednačili. Istraživači su pokazali da se osmotski pritisak može meriti jednostavnom proverom veličine kapljica. Zatim su uveli ove dvostruke kapljice u žive ćelije i tkiva koristeći staklene mikrokapilare da bi otkrili njihov osmotski pritisak.
„Ispostavilo se da ćelije u životinjskim tkivima imaju isti osmotski pritisak kao i biljne ćelije, ali, za razliku od biljaka, moraju ga stalno balansirati sa svojim okruženjem kako bi izbegle eksploziju, jer nemaju čvrste ćelijske zidove“, rekao je Kampas.
Sa ovim jednostavnim konceptom, ova genijalna metoda sada omogućava naučnicima da „vide“ osmotski pritisak u širokom spektru podešavanja. „Znamo da nekoliko fizičkih procesa utiče na rad naših tela“, rekao je Kampas. „Posebno je poznato da osmotski pritisak igra osnovnu ulogu u izgradnji organa tokom embriogeneze, kao i u održavanju zdravih organa odraslih. Sa ovom novom tehnikom, sada možemo da proučavamo kako osmotski pritisak utiče na sve ove procese direktno u životu. maramice.“
Pored pružanja uvida u biološke procese i fizičke principe koji upravljaju životom, ovaj metod ima obećavajuće industrijske i medicinske primene, uključujući praćenje hidratacije kože, karakterizaciju krema ili hrane i dijagnozu bolesti za koje se zna da imaju disbalans osmotskog pritiska, kao što su kardiovaskularne bolesti ili tumori. Patent za ovu tehniku trenutno izdaje UC Santa Barbara, gde je Kampas obavljao svoja istraživanja pre nego što se pridružio TU Drezdenu.
Kampasova laboratorija je prethodno razvila jedinstvene tehnike za merenje sićušnih sila koje ćelije stvaraju unutar tkiva, kao i dodatna fizička svojstva koristeći male pojedinačne kapljice. Antoan Vian, vodeći autor rada i stručnjak za mikrofluidiku, tehnologiju koja omogućava generisanje kapljica dvostruke emulzije, istakao je njihovu ključnu ulogu.
„Dvostruke emulzije su veoma raznovrsne, sa mnogo različitih primena u nauci i tehnologiji“, rekao je on. „Pojedinačne kapljice mogu biti deformisane, ali su nestišljive i ne dozvoljavaju merenje pritiska. Nasuprot tome, kapljice dvostruke emulzije mogu da promene veličinu i da se koriste kao senzori osmotskog pritiska. Njihova upotreba u živim sistemima će sigurno omogućiti nova i uzbudljiva otkrića.“
